4耦合度的概念

上一篇文章講述了無耦合差分線的阻抗。當(dāng)差分對的兩條線距離靠近時(shí)，它們之間的耦合電容和耦合電感會(huì)發(fā)生變化。用相對耦合度來表述它們之間的耦合程度。例如2根50Ω阻抗控制、線間距是5mil、位于FR4 PCB上的帶狀線，它們之間的線距和耦合度關(guān)系如下圖。可以看出，隨著兩條信號(hào)線之間的距離減小，耦合度會(huì)增加。不過即使線間距在1倍線寬的情況下，耦合度也只有15%。而當(dāng)線間距是3倍線寬時(shí)，耦合度只有1%，再往后基本就可以忽略了。

5差分信號(hào)線中的信號(hào)波形對阻抗的影響

一對差分線由LINE+和LINE-組成，當(dāng)差分對的兩條線距離很遠(yuǎn)時(shí)，LINE+的特征阻抗和LINE-沒有關(guān)系。

當(dāng)差分對的兩條線間距很近（通常差分線間距小于三倍線寬時(shí)），LINE+和LINE-上不同的波形形態(tài)對阻抗影響不同。

情況一：LINE+有信號(hào)，LINE-無信號(hào)時(shí)（0V）

在此種情況下，隨著LINE+和LINE-的距離越近，LINE+的阻抗會(huì)減小，但變化幅度不到1%。

情況二：LINE+與LINE-信號(hào)反向時(shí)

在此種情況下，隨著LINE+和LINE-的距離越近，LINE+的阻抗會(huì)減小。

情況三：LINE+與LINE-信號(hào)同向時(shí)

在此種情況下，隨著LINE+和LINE-的距離越近，LINE+的阻抗會(huì)增加。

下圖是上述三種情況下，LINE+的阻抗變化曲線。出現(xiàn)這種狀況的原因是：不同信號(hào)狀態(tài)導(dǎo)致流過LINE+和LINE-耦合電容的電流不同，由此導(dǎo)致信號(hào)線阻抗發(fā)生變化。

差分信號(hào)使用場景是情況二，因此隨著差分信號(hào)距離減小，耦合度增加，每根信號(hào)線的單端阻抗會(huì)減小，差分阻抗也會(huì)減小。

6 差分信號(hào)線的阻抗計(jì)算公式

如下是差分信號(hào)線阻抗的近似計(jì)算公式

（一）差分微帶線的差分阻抗公式：

Z0是單端阻抗值。S表示差分對的邊沿到邊沿距離，單位是mil。h是差分對中每一根單端線和參考平面之間的介質(zhì)厚度。

（二）差分帶狀線的差分阻抗公式：

Z0是單端阻抗值。S表示差分對的邊沿到邊沿距離，單位是mil。b是帶狀線上下介質(zhì)層的總厚度。

7 差分信號(hào)線的返回電流分布、及對差分阻抗的影響

之前我總認(rèn)為差分信號(hào)的電流是從LINE+流入，經(jīng)過負(fù)載后再從LINE-流出，好像和返回路徑?jīng)]啥關(guān)系。現(xiàn)實(shí)中其實(shí)并不是這樣，返回電流在返回平面上有所分布，并且電流分布不同，對差分阻抗有不同影響。

（一）差分微帶線的返回電流分布和差分阻抗

首先，先來看看差分信號(hào)的電流是怎么分布的。如下圖是2根線寬為5mil的微帶差分線。上半張圖兩線間距是15mil（耦合度很小了）。下半張圖兩線間距是5mil（緊耦合）。信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)頻率是100MHz。顏色越淺的地方，表示電流密度越大。

針對上半張圖，假設(shè)1號(hào)線是LINE+，如果它的信號(hào)電流方向是流入屏幕，那么它的返回電流在返回平面中是流出屏幕。類似的，2號(hào)線是LINE-，它的信號(hào)電流是流出屏幕，它的返回電流在返回平面中是流入屏幕。因?yàn)檫@兩條線之間的距離很大（15mil），所以當(dāng)差分信號(hào)在信號(hào)線上傳輸時(shí)，這兩條線對應(yīng)返回平面上的電流不會(huì)重疊。

針對下半張圖，即使1號(hào)線和2號(hào)線已經(jīng)靠的很近（5mil），返回平面上的電流重疊也不多。

接下來增大差分線和返回平面之間的距離，隨著返回平面越來越遠(yuǎn)，兩根信號(hào)在返回平面上的返回電流重疊面積會(huì)變大。（把線1和線2想象成2個(gè)燈泡，返回平面是一堵墻，線1和線2都會(huì)在墻上投影燈光。隨著燈泡和墻之間的距離越來越遠(yuǎn)，燈泡1和燈泡2在墻上投影的重疊面積會(huì)越來越大）。

因?yàn)榫€1和線2在返回平面上制造的返回電流方向是相反的。隨著返回平面越來越遠(yuǎn)，兩根信號(hào)在返回平面上的返回電流重疊度越來越高，最后返回電流會(huì)完全抵消。此時(shí)返回平面對差分傳輸線的差分阻抗沒有影響了。這時(shí)的差分傳輸線才可以等效為本節(jié)剛開始時(shí)表述的：差分信號(hào)的電流是從LINE+流入，經(jīng)過負(fù)載后再從LINE-流出，好像和返回路徑?jīng)]啥關(guān)系。

（二）雙絞線的返回電流分布和差分阻抗

如下是一對屏蔽雙絞線的示意圖。綠色線是差分信號(hào)線，線徑D?；疑墙^緣層，兩信號(hào)線的間距S由絕緣層的厚度決定。橙色是屏蔽層，R是屏蔽層的厚度。

雙絞線上有信號(hào)傳輸時(shí)，屏蔽層就是返回平面，有返回電流在屏蔽線上流動(dòng)。和微帶線一樣，兩根信號(hào)線各自在屏蔽層上產(chǎn)生的返回電流方向是相反的。

如果屏蔽層的厚度足夠大（返回平面和信號(hào)線距離很大，通常是屏蔽層半徑R超過2倍的S時(shí)），返回電流大致呈對稱分布，相互疊加抵消，屏蔽層對差分信號(hào)阻抗沒有影響。無屏蔽雙絞線的效果和此類似。

如果屏蔽層的厚度不是很大（即屏蔽層緊靠雙絞線時(shí)），屏蔽層中的返回電流會(huì)輕微的影響差分阻抗。原因是什么呢？屏蔽層和雙絞線靠的太近時(shí)，有幾率出現(xiàn)雙絞線不完全基于中心軸對稱布置，導(dǎo)致差分信號(hào)在屏蔽層產(chǎn)生的返回電流也非對稱，最終會(huì)輕微的影響差分阻抗。

總之：針對差分信號(hào)

①差分信號(hào)之間的耦合度比差分信號(hào)線與返回平面間的耦合度低時(shí)（差分線間距>差分線與返回平面間距），返回平面出現(xiàn)明顯的返回電流。返回平面影響到差分阻抗。

②差分信號(hào)之間的耦合度比差分信號(hào)線與返回平面間的耦合度高時(shí)（差分線間距<差分線與返回平面間距），返回平面中的絕大部分返回電流疊加、抵消。此時(shí)返回平面不影響差分信號(hào)，電流等效為從LINE+傳輸?shù)截?fù)載，再從LINE-回到源端。

③根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，要使差分信號(hào)之間的耦合度高于差分信號(hào)與返回平面之間的耦合度，需要差分信號(hào)線與返回平面之間的距離大于兩信號(hào)線間距的2倍。

④在我們常見的PCB設(shè)計(jì)中，信號(hào)線與返回平面的間距要比兩信號(hào)線間距小，因此返回平面還是很關(guān)鍵的。在做PCB設(shè)計(jì)時(shí)，差分信號(hào)需要返回平面完整。例如在返回平面中出現(xiàn)了間隙，在有間隙那一段，LINE+的返回電流只能靠LINE-傳送，導(dǎo)致差分阻抗在此處發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^增加兩線間的耦合度，使差分阻抗變化最小。

⑤還有一種場景是差分信號(hào)經(jīng)過連接器時(shí)，兩條信號(hào)線之間的耦合度會(huì)在連接器處發(fā)生變化。具體信息需要仿真得到。