差分补偿方式对差分信号质量影响的研究

张灵子，向建红，陈艳飞，陈慧杰，龚骁敏

（中国电子科技集团有限公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

差分信号在一对紧耦合差分对中传播时，应对串扰和返回路径中的突变的鲁棒性较好[1～5]。但在实际应用中，不可避免的要对差分线进行等长补偿，这会造成差分对之间的时延不一致、抗干扰能力变差、眼图变差等一系列问题。在差分线的补偿方法中，应用最广泛的补偿方式是2倍间距/3倍线宽。但是该方法并没有结合实际的应用情况考虑。本课题将根据实际中不同的应用场景下差分信号的不同绕线方式和位置进行等长绕线并仿真验证，以寻求最佳的差分信号补偿方式。

1 差分线

差分走线上同时传输着差模分量和共模分量,它们共同组成所需要的差分信号[6，7]。

其中，差模信号定义为：

除了有这些携带我们要传递信息的差模分量以外，电路中还存在着共模信号。共模信号用两条

式（1）和（2）中：

Vdiff：差模信号；

Vcom：共模信号；

V1：线1相对于共用返回路径的信号电压；

V2：线2相对于共用返回路径的信号电压。

在设计差分对时，最重要的原则是等距、等长和对称[8]。等距能保证信号维持在一个恒定的阻抗，从而保证反射最小；等长和对称能保证传输线时延相同，相位错位最小，防止差模信号转化成共模信号。

在理想情况下，通常认为共模信号是恒定不变的直流。但是，实践中不同的走线设计会造成共模信号发生改变，一个变化的共模分量将会引起两个十分严重的问题：

（1）如果共模信号电压过高，就会使差分接收器的输入放大器饱和，使之不能准确读入差分信号。

（2）变化的共模信号，会引起 EMI（Electro Magnetic Interference）。

在工程设计中不可避免的会造成差分对之间的不等长。为了达到等长的要求，需要对差分对进行等长补偿，不同的应用场景下不同的补偿方式和补偿位置对共模信号的影响不同。因此选择合适的等长补偿方式对提高信号的性能至关重要，下面将对常见的3种应用场景进行分析。信号线上的平均电压表示，定义为

2 不同补偿方式性能对比验证

2.1 差分补偿第一种应用场景

如图1所示，4个135°的拐弯造成4段不等长区域（图1中①②③④所在的位置），两两之间相差均小于600mil，①④距离发送端和接收端均大于1000mil，总长5000mil。本仿真是针对微带线的模型，在SI9000中计算的参数如下：其中线宽6.4mil，线间距5.6mil，介质厚度5mil。

图1 第一种应用情况走线模型

2.1.1 几种补偿方式

对上述差分绕线，分别采用一个凸起直接补偿方式（后称一个凸起方式）和常规的2S/3W方式（S表示差分对的间距，W表示差分线线宽）两种补偿方式进行补偿。同时针对补偿的位置，采用3种情况进行分析，分别是近端（信号发送端）补偿、差分不等长发生处补偿和远端（信号接收端）补偿。这里要特别说明一下，一个凸起的差分不等长发生处补偿方式，位置是位于整个线段的最中央。具体补偿示例如图1所示。

方法一：采用2S/3W补偿方式在不等长发生处①②③④进行补偿（St（XZFS））；方法二：采用 2S/3W补偿方式在接收端⑤补偿（St（XJS））；方法三：采用2S/3W补偿方式在发送端⑥补偿（St（XFSD））；方法四：采用一个凸起在不等长发生处⑦补偿（St（DZFS））；方法五：采用一个凸起在接收端处⑧补偿（St（DJS））；方法六：采用一个凸起在发送端⑨补偿（St（DFSD））。

2.1.2 仿真验证结果

（1）插损分析

图2 插损对比

如图2所示，分别是一个凸起方式、2S/3W方式两种绕线方法与对应的3种补偿位置：发送端补偿、接收端补偿和差分不等长发生处补偿的插损。从图2可以发现：

1）在20G带宽条件下，三种补偿位置中，一个凸起补偿和2S/3W补偿均在差分不等长发生处补偿插损最小，与其他两种补偿方式相差在0.5dB左右。

2）不管是一个凸起的绕线方式还是2S/3W的绕线方式，在接收端和发送端绕线差损的差别可以忽略。

3）一个凸起补偿方法和2S/3W补偿方式引起的损耗相差不大。

4）频率越高，接收端、发送端与正差分不等长发生处补偿差别越大。

（2）相位差分析

图3 相位比较

如图3所示，在20G带宽条件下，可以发现：

1）无论哪种绕线方法，接收端绕线和发送端绕线的相位差别并不明显。

2）无论哪种绕线方法，在不等长发生处补偿的效果最好，相位差最小。

3）无论在接收端还是在发送端，2S/3W补偿方式比一个凸起的补偿要稍好，但是差别并不明显。

为了更好的说明问题，下面将对一个凸起的补偿方式和2S/3W的补偿方式，在不等长发生处补偿做单独分析。

图4 差分不等长发生处补偿对比

如图4所示，实线表示一个凸起补偿方式，虚线表示2S/3W补偿方式。

从相位差的角度分析：在20G的带宽内，一个凸起补偿和2S/3W的补偿方式效果差别不大；20G以后2S/3W的补偿效果更好。如图3和如图4所示，可以发现不同补偿方式均产生了一定的相位差。那么相位差将对信号的质量造成多大的影响，下文将进一步仿真验证。

2.1.3 信号质量影响分析

（1）差共模转化分析

图5 差模转共模对比

从图5差模转化成共模曲线可以看出：一个凸起方式和2S/3W方式在差分不等长发生处补偿，其差模转共模的值最低。

针对差分补偿第一种应用场景，从以上三种角度分析，不同绕线方式在损耗上并没有明显区别，但差模转共模相差却很大，这是由于上文分析中提及的较大的相位差。如果两条传输线上出现任何的延差或错位，都会使差分信号变成共模信号。较大的差模转共模，可能在输出到外部差分线上产生EMI问题，同时如果共模信号电压过高，就会使差分接收器的输入放大器饱和，使之不能准确读入差分信号。

（2） 眼图分析

理论上来说，如果差分线的两条线之间没有耦合，会导致抗噪声能力下降。故对抗干扰能力进行分析。下面选取一个凸起补偿方式和2S/3W补偿方式在接收端与不等长发生处绕线补偿，对所对应的眼图进行分析。

图6 眼图对比

如图6所示：a）一个凸起方法在差分不等长发生处补偿；b）2S/3W方法在差分不等长发生处补偿；c）一个凸起方法接收端补偿；d）2S/3W方法接收端补偿。

从抗干扰的眼图中可知：

1）不管是一个凸起方法还是2S/3W方法，在接收端补偿比在差分不等长发生处补偿的抗干扰能力明显较差。

2）在差分不等长发生处补偿时，一个凸起方法进行补偿和2S/3W方法进行补偿的抗干扰能力几乎相同。

3）相位差越大，对外的抗干扰能力越差。

2.1.4 本节总结

本节从6种不同角度分析，得出以下结论：

（1）无论哪种补偿方式，在差分不等长发生处补偿比在接收端和发送端补偿效果好；接收端补偿和发送端补偿的效果相差不大。

（2）差分线中存在多个不等长处，且两两之间相差均小于600mil时，从相位补偿角度分析：带宽10G以内在所有不等长的中间位置采用一个凸起方法补偿，其差共模转换效果要比用2S/3W方法在差分不等长发生处补偿略好；但是两种补偿方式的抗干扰能力几乎相同。

（3）频率越大，相位差相差越大。

（4）差分线等长的绕线位置对抗干扰能力的影响很大。

通过以上结论，发现一个凸起方法补偿在低频时效果明显较好。故可进一步推测：如果一个凸起方法补偿不能处在不等长发生的中间节点，其补偿效果会大打折扣。下文将进一步验证。

2.2 差分补偿第二种应用场景

图7 差分补偿应用场景二

在2.1节差分补偿第一种应用场景中，2S/3W方法进行补偿时，凸起太多，或多或少造成两根线耦合的不连续。一个凸起方法进行补偿时，不能及时补偿4个所有的不等长。鉴于以上2种补偿方法存在的缺点，并不能完全找到2种补偿方法的最佳应用场景。结合以上分析，下文将进行第二种应用场景的验证。

如图7所示，4个135°的拐弯造成4段不等长区域，两两之间相差均大于1000mil，距离发送和接收均大于1000mil，总长6000mil。本仿真是针对微带线的模型，在SI9000中计算的参数如下：其中线宽 6.4mil，线间距 5.6mil，介质厚度 5mil。

2.2.1 几种补偿方式

如图7所示，采用3种补偿方法：St（2S）表示采用2S/3W在不等长发生处进行补偿；St（D）表示采用一个凸起方法在不等长发生中间处补偿；St（4S）表示采用4S/4W方法补偿。

2.2.2 仿真验证结果

将从插损和相位差的角度分析。

图8 仿真验证结果

如图8所示，实线4S代表4S/4W方法补偿，点状线2S代表2S/3W方法补偿，点线相接D代表一个凸起方法补偿，从图中可以发现：

（1）3种补偿方式（2S/3W 方法、4S/4W 方法、一个凸起方法）的损耗相近。

（2）从相位差来看，25G以内，2S/3W方法补偿效果=4S/4W方法>一个凸起方法的补偿方式。

2.2.3 信号质量影响分析

（1）差共模转化分析

图9 差共模转化对比

如图9所示，从差共模转化的影响来看，4S/4W和2S/3W的Scd都能在20G频率以下保持在-25dB以下，都符合应用要求。一个凸起方式的Scd值大于-20dB，已经接近有些协议对Scd的最小要求。

当距离不等长发生处较远时，一个凸起不能及时补偿长度误差，会产生相对于4S/4W和2S/3W更大的共模信号。

（2）眼图分析

图10 三种补偿方法眼图对比

如图 10 所示，a），b），c）分别为 2S/3W 方法、4S/4W方法和一个凸起方法的眼图。从抗干扰的眼图仿真中可知：

4S/4W方法的抗干扰能力好一些。此方案能够及时补偿对差分信号的相位补偿起关键作用，但是此种应用中相位补偿与抗干扰能力并没有完全达到一致。4S/4W方法的抗干扰能力却非常突出，这是因为4S/4W方法几乎可以在每小段不等长的发生处采用一个4S/4W进行简单快速的补偿，使不耦合的长度很小。

2.2.4 本节小结

在本节差分补偿第二种应用场景的验证中，在存在多个差分不等长且不等长距离大于1000mil的情况下，从相位补偿结果看，及时补偿且减少凸起个数的4S/4W补偿方法与2S/3W方法的补偿效果相近。但是从抗干扰能力看，4S/4W方法的抗干扰能力明显最好。且针对本应用场景，一个凸起方法进行补偿的差共模转化效果以及相位变化指标最差。

可以进一步推测：如果对每个不等长发生处采用尽可能少的凸起，一次补偿，其效果最好。下文将进行进一步验证。

2.3 差分补偿第三种应用场景

从前两种应用场景中分析发现，2S/3W方法在高频处都有较好的补偿效果，但是在第一种应用场景的低频中，采用一个凸起方法进行补偿时其补偿效果却意外的良好。因此，本节将结合前两种差分线不等长的应用场景，借鉴实际PCB中差分线的出线方式，设计了第三种差分不等长场景：只存在有一个差分不等长区域，模型走线4000mil。

图11 差分补偿应用场景三

2.3.1 几种补偿方式

对上述差分绕线，采取在差分不等长发生处补偿，补偿方式分别为：一个凸起方法直接补偿、2S/3W方法补偿和4S/4W方法补偿。本仿真是针对微带线的模型，在SI9000中计算的参数如下：其中线宽 6.4mil，线间距 5.6mil，介质厚度 5mil。

2.3.2 仿真验证结果

（1）插损分析

图12 插损对比

如图12所示为插损对比，实线4W代表4S/4W的补偿方式，点状线X代表2S/3W的补偿方式，点线相接D是代表采用一个凸起直接补偿。

从插损图中可以发现：

从不同的补偿方式产生的插损来看：在30G以前3种补偿方式的损耗差别不明显；30G以后2S/3W方法的损耗最大，一个凸起方法的损耗最小。

（2）相位差分析

图13 相位差对比

如图13所示为相位差对比，可以看出，一个凸起方法补偿的效果较好，这和我们传统想法中应用的2S/3W方法进行补偿是有很大不同的。

这是由于在表现较好的补偿结果中，只用了一个凸起进行补偿，而2S/3W用了12个凸起进行补偿。根据信号的传输模式可知，如果对差分线进行绕线，那么信号是沿着耦合电容直接进行传播的。绕线中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，阻抗越低，这也是频率越高，相位差相差越多的原因。采用大量（12个）凸起进行补偿，则会加大沿耦合电容传输的路径长度，则相位差会随之增大。

2.3.3 信号质量影响分析

（1）差共模转化分析

图14 差共模转化

如图14所示：从差共模转化分析，4S/4W方法和一个凸起方法的补偿方式相对2S/3W方法的补偿方式效果更好。

（2）眼图分析

下面将对抗干扰能力进行分析：

图15 眼图对比分析

如图15所示：一个凸起的直接补偿和4S/4W补偿方式的抗干扰能力相差不多，2S/3W的补偿方式则最差。这是由于采用2S/3W进行多个补偿时，产生了多个不耦合位置，差分的不耦合越多，抗干扰能力越差。一个凸起的直接补偿和4S/4W补偿方式产生的不耦合长度较小，对于差分信号来说当两根信号线的距离达到一定时，其阻抗变化将减小，也就是距离对差分信号的影响相对较小。对此方案而言，短暂的差分信号距离之差造成的不耦合对差分抗干扰能力的影响很小。

2.3.4 本节小结

对于第三种应用场景而言：

（1）2S/3W、4S/4W和一个凸起这三种补偿方法的损耗相差不多。

（2）4S/4W和一个凸起的补偿方式相对2S/3W的补偿方式，Scd较小。

（3）4S/4W和一个凸起的补偿方式相对2S/3W的补偿方式，抗干扰能力较强。

（4）当较长的不等长集中发生在一起时，比如芯片的fanout处，建议设计时在靠近不等长发生处采用4S/4W或者一个凸起补偿。

3 结语

本文从3种不同应用场景，分别对差分线不等长情况做了多种补偿方案的对比分析。从结果上看，不同应用场景下，不同绕线方式对差分信号质量影响是明显的。因此，结合仿真结果，对今后的PCB走线提出以下建议：

（1）如果条件允许，建议尽量在每个不等长发生处，根据各点不等长的长度，尽可能采用一个补偿方式对各点进行补偿。

（2）如果差分线中出现一个不等长，则建议采用一个凸起直接进行补偿。

（3）如果差分线中出现多个不等长，且不等长距离大于1000mil，4S/4W的补偿效果较好。

（4）如果差分线中出现多个不等长，且不等长的距离都在600mil范围内，15G范围内建议用一个凸起在中心处补偿，15G以后建议用2S/3W进行补偿。

（5）如果不能在差分不等长发生处进行补偿，接收端和发送端补偿效果相近。