差分线抗干扰能力强，信噪比高，辐射小，带宽容量大等众多优点，所以在目前的高速链路设计中，都选取差分线作为通信方式。差分线使用两根走线传输一路信号，两根线上携带的信息是相同的，但是信号的相位差是 180 度，这样两个线产生的场正好相互抵消，减少了辐射的产生。同时由于最终信号取两根信号之差，所以当受到共模信号干扰时，两根线所产生的噪声几乎相同，在接收端做差值时正好被抵消掉。差分线对噪声天生的抑制能力有效的提高通道的信噪比，大大的改善了通道的信息容量，使得差分线在 Gigabit 以上的通信领域得到广泛应用。

差分线跟单线传输相比，之所以具有众多优势，是因为其采用了差动传输的方式，即两根线要保持 180 度的相位差，即我们平时所说的要保持两根线的电流大小相等、方向相反。任何原因造成的相位失配，都会影响差分线的性能，甚至造成不可预知的后果，所以在 layout 设计中，我们必须做到差分线的等长要求。当有相位失配(Phase mismatch)存在时，如何对差分线进行补偿，选取的方法不同，得到的效果也会有很大的差异。

下面分几种情况对差分线的补偿方式做一个比较全面的剖析：

· Case 1: 使用一个大的 segment 就近补偿。

· Case 2: 使用小的突起沿线补偿

Case 3: 在走线的末端进行补偿

图 1：三种不同的差分线补偿方式

根据一般经验，我们可以预测的到，Case 1 会造成大的阻抗不连续，Case 2 的目的正是为了

减小这种阻抗不连续性，Case 3 则是比较避讳的方法，走线大部分地方相位没办法同步。下面的工作就是通过仿真工具对这三种方式作出一个具体的对比分析。

1. 走线宽度 4.5mils，间距为 7.8mils

2. 调整叠层结构，使走线的阻抗保持在 100ohm，这里使用 Stripline,板材为 FR4, 介质高度分别为 7.5mils 和 52.3mils。

3. 仿真工具

仿真工具选用 ADS- Momentum RF，扫频范围 0-60Ghz，Port 设置如<图 1：三种不同的差分线补偿方式>，运行仿真，即可得到三种走线的模型。

1.TDR 分析，测试脉冲 trise=20ps，参考阻抗 Z0=100ohm

结果和我们想象的一致，Case 1 和 Case 3 具有较大的阻抗变化，Case 2 的阻抗变化分布在比较长得范围内，所以整体变动比较小。

2. 观察一下反射曲线 – Return losses

从结果来看，Case 1 和 Case 3 的回路损耗均高于 Case 2，这个也是显而易见。

3.传输参数的比较 – Insertion losses

插入损耗的曲线出乎我们的预料之内，在 35Ghz 左右，Case 2 竟然出现了谐振点，Case 1 和

Case 3 在 60Ghz 整个频段内竟然吻合的很好。

4. 模式转化 – mode conversion

上图是差模转化为共模的量，我们注意到，Case 2 中有大部分差模信号转化为了共模信号，这也一定是 Case 2 插入损耗比较大的原因所在。

Case 1/2/3 中的走线长度是完全相同的，实际上是对同一对差分线做了不同的绕线，然后平移开的。为什么 Case 2 中会出现大量的共模信号，我们可以从单端信号中找到答案。

Case 1：插入损耗的幅值和相位

Case 2：插入损耗的幅值和相位

Case 3：插入损耗的幅值和相位

从以上结果可以看出：

1. 损耗上，Case 1/3 的近乎一致，而且两个单根走线的插入损耗也近似重合。Case 2 则有大的不同，单端走线，有绕线部分的走线损耗明显低于没有绕线的一根，在 60Gz 处， 有 0.7db 的差异。

2. 相位上，Case 1 和 Case 3 的单端相位都可以近似吻合，Case 1 相差 18.4°@60Ghz，Case 3 相差 22.3°@60Ghz；Case 2 在相位上则表现出明显的差异，高达 281.8°@60Ghz。

3. 另外，严格上讲，三种补偿方式下，相位均出现了一定的偏差，而且随着频率的升高， 越来越明显。

从分析可知，Case 2 引入的相位差已经远远超出了差分线所能承受的范围，违背了差分信号传输的基本原则，即要求单线产生的相位差值是要同步的。同时我们也没有忘记 Case2 在插入损耗上产生的谐振谷底，我们也可以再这里找到原因：

Case 2 谷底处频率是 35.47Ghz，如下：

来观察一下 35.47Ghz 处 Case 2 的单根线相位情况：

注意到 Case 2 在 35.47Ghz 处，两个单根线的相位差已经接近 180°，此时本来是差分传输的信号在这个频点已经完全的转换成了共模信号，所以对于差分信号传输来说，这个是传输的最低点。

现在我们已经清楚的知道，Case 2 的问题是由于相位差引起的，那么这个相位差从哪里来的？不要忘了三对差分走线可是完全等长的。

上面的分析结果中有提到，对于 Case 2，绕线的那根线损耗明显小于另外一根，这也说明一个问题，就是绕线的一根走过了较短的距离，相位变化上也说明了这一点，绕线部分的相位变化比较小。

观察三种绕线方式的差异，不难看出，Case 2 部分的相位差异应该是由于绕线部分耦合

传输引起的。我们知道，绕线上有两种信号传输模式，一种模式是沿线传播，另一种模式是沿绕线间的耦合电容直接传输。绕线之间的耦合电容为信号提供了一个低阻抗的回流路径， 而且频率越高，这个阻抗就越低，这也是为什么随着频率的升高，相位差随之增大的原因所在。

图：绕线上的两种传输模式

在端口打同相激励，观察走线上的电流相位，可以看出 Case 2 上的相位差异：

上面分析对三种绕线情况在频域作出了对比分析，更多的时候，下面的时域眼图可以更加直观的看到几种绕线方式带来的影响。目前高速链路速度已经向 28Gbps 过度，这里就看一下在 28Gbps 速率下，此处短短的一个绕线方式所带来的影响。由于 Case 1 和Case 3 相近， 这里只给出 Case1 和 Case2 的结果，分析软件 ADS-ChannelSim。

Case 1 在 28Gbps 下的眼图

Case 2 在 28Gbps 下的眼图

Case 1 和 Case 3 的结果惊人的相似，为什么一般规则都要避免使用 Case 3 的走线方法呢？ 前面我们使用了 Stripline 作为验证，整个过程中没有观察到 Case 3 在前段相位不同步的

情况下所带来的影响，其实这跟周围的介质特性有关。Stripline 的周围介质是均匀的，所以

不会产生远端串扰，因此即使在两根线相位不同步的情况下，在末端也观察不到太多的差异， 如果使用周围介质不均匀的 Microstrip，结果则会大有不同。

下面将同样的走线结构，设置成 Microstrip 的形式，来观察此时三种不同绕线的结果。走线宽度 4.5mils，间距为 7.8mils, 100ohm 阻抗，Stackup 改为 Microstrip，如下：

来观察仿真得出的 TDR 波形：测试脉冲 trise=20ps，参考阻抗 Z0=100ohm

插入损耗 - Insertion losses：

回路损耗 - Return losses：

模式转化 –mode conversion:

与 Stripline 相比，Microstrip 存在以下不同：

1. MS 的损耗要明显小于 SL。

2. 同样绕线情况下，MS 阻抗变化要小于 SL，MS 回路损耗也明显优于 SL。

3. MS 在Case 2 的绕线方式下，同样存在谐振点，但是谐振点比较靠后，这是因为 Microstrip

的速度要比 Stripline 快的多，从 TDR 的波形上可以看得出来。

4. Case 3 在末端做相位匹配，MS 和 SL 所得出的结果截然不同，MS 对线段上的相位失配更加敏感。

5. MS 在 Case 3 的绕线方式下，有更多的能量转化为了共模信号。

上文从不同的角度对差分线三种补偿方式做出了对比分析，可以看到，虽然只是短短的一段走线，绕线方式的不同带来的差异还是比较明显的，如果选取不当，则会对整个设计造成一些不可预知的后果。同时 Microstrip 和 Stripline 对同样的结构，表现出的差异也是相当明显，两种走线方式都有各自的优点和短处，使用时是要根据实际情况来扬长避短。

本文分析虽然没有涵盖所有的情况，但是不难得出以下结论：

1. 对差分线的补偿，在相位失配处就近采取补偿，可以得到比较好的效果。

2. 采用大的 segment 快速做出补偿，要优于分成小段沿线补偿的方式。

3. Microstrip 在做补偿时，阻抗变动较小，因此引起的反射较小。

4. Microstrip 对动态相位的差异要比 Stripline 要敏感的多，所以使用 Microstrip 走线时，要更加注重动态相位的补偿。

5. 在做相位补偿时，绕线部分的要控制较大的 Gap，减小耦合的强度。

6. 任何不正确的补偿方式都会造成大的共模噪声，并影响信号眼图质量。

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