什么是微分阻抗，为什么我们关心?

简单地说，微分阻抗是一对传输线的瞬时阻抗，当两个互补的信号以相反的极性传输时。对于印刷电路板(PCB)，这是一对走线，也称为差动对。我们关心保持相同的微分阻抗的原因与我们关心保持单端(SE)传输线的相同瞬时阻抗的原因相同:以避免反射。

除了保持正确的微分阻抗外，微分对真的没有什么特别的。但是您必须理解对中迹线间距的含义。

微分阻抗仅仅是每道的奇模阻抗的两倍。SE阻抗是单个迹线的阻抗，只有当它们之间很少或没有对内耦合时，SE阻抗才等于奇模阻抗。当迹线靠近时，微分阻抗降低，除非调整线宽来补偿。(稍后再详细介绍。)

图1显示了差分驱动一对边缘耦合条带线迹对对内耦合的影响。上图显示了电磁场围绕着一对相距3.5线宽的松散耦合迹线。下图显示了线宽为1.5的紧密耦合对。红色的+轨迹是流入页面的电流，而蓝色的-轨迹是流出页面的电流。

每条轨迹周围的圆线是表示回路电感的磁场。旋转的方向基于当前的方向，使用右手定则。电场(e-field)线垂直于磁场线。它们是电容的量度。

图1。差分驱动对边耦合条带线对内耦合的影响。上图显示了电磁场围绕着一对相距3.5线宽的松散耦合迹线。下图显示了线宽为1.5的紧密耦合对。

当迹线松散耦合时，电场和磁场线在每个迹线周围相当对称，并且在它们之间的中心线附近互为镜像。大部分各自的电子场耦合是到参考地平面的。当迹线彼此靠近时，反向旋转的环在中心线附近压缩，降低电感。同时，沿每个迹线内边缘的更多的电场线倾向于彼此耦合，增加电容。

由于电磁场沿中心线相互作用的方式，我们可以将其视为虚拟地(VGND)参考平面。它们的行为完全相同，就好像它们之间有一个固体参考平面一样。

奇模阻抗

考虑一对等宽微带线迹，标记为1和2，它们之间的间距恒定，如图2所示。假设无损传输线，每个单独的轨迹，当隔离驱动时，将有一个SE特征阻抗佐薇,由相对于GND参考平面的自回路电感(L11, L22)和自电容(C11, C22)定义。

当这对迹线以不同的方式驱动时，传播模式为奇数。电磁场相互作用如图1所示。当对内间距较近时，存在由互感(Lm)和互容(Cm)定义的电磁耦合。

迹线与参考平面的接近程度影响迹线之间的电磁耦合量。迹线离参考平面越近，自回路电感越低，自电容越强;从而降低了互感，并减弱了迹线之间的互电容。最终结果是一个较低的微分阻抗。

二维场求解器通常用于提取给定几何图形的参数。一旦提取出电阻、电感、电导和电容(RLGC)参数，就可以建立L C矩阵，如下所示:

L11 l12 c11 c12

L21 l22 c21 c22

迹线1和迹线2的自回路电感和自电容分别为L11、C11、L22、C22。在完全对称的微分对中，每个矩阵中的非对角线(12,21)项分别是互感和互电容。LC矩阵可用来确定奇模阻抗。计算公式为:[1]

地点:

Zodd奇模阻抗

Ls=自回路电感=l₁₁＝l₂₂

Cs自容C₁₁＝C₂₂

Lm互感=l₁₂＝l₂₁

厘米=互电容= |C₁₂| = |C₂₁|

例子

使用Polar SI9000场求解器来比较具有4 mil走线、间隔20 mil的松散耦合对与具有相同介电厚度的SE传输线(见图3)。LC矩阵在10GHz下提取。可以看出，松散耦合对的奇模阻抗等于SE迹线的特征阻抗，因此微分阻抗是相同的。

但是如果你路由一对紧密耦合的迹线，对于相同的迹线宽度，奇模阻抗小于SE阻抗(除非你调整线宽)。例如，在图4的左侧，4-4-4 mil几何图形的微分阻抗为91欧姆。为了获得100欧姆的差动，线宽必须减小到3.35 mils，空间必须调整到4.65 mils，以保持相同的12 mil中心间距，如图右所示。

但这并没有结束。

对于一些行业标准，通常有一个非常短的范围(VSR)规范，其中定义了最大信道损耗。例如，IEEE 802.3 CAUI-4芯片模块(C2M)规范在12.89 GHz奈奎斯特频率下，从芯片的引脚到面板模块的引脚(例如，小形状因素可插拔(SFP)模块)的范围为7.5 dB。由于现代机架顶部路由器和交换机，主开关芯片和SFP模块之间有10英寸或更多英寸并不罕见，差分对几何设计对于满足差分阻抗和插入损耗(IL)变得非常重要。

减小线宽和更紧密的耦合导致通道长度上的更高损耗。使用上面的例子，微分IL在图5中为所有三个微分对绘制。松散耦合用绿色表示;没有线宽调整的紧密耦合(Tight1)显示为红色，而有线宽调整的紧密耦合(Tight2)显示为蓝色。

正如您所看到的，在12.89 GHz时，松耦合和两个超过10.6英寸的紧耦合示例之间大约有半dB的差异。紧密耦合降低IL，无论线宽是否调整以满足微分阻抗。在这个例子中，在Tight1和Tight2之间只有0.1 dB的增量，这表明大部分较高的损耗是由于更紧密的耦合造成的。

这可以通过回顾SE到微分混合模转换来解释。给定一个4端口s参数，SE端口顺序如图6所示，差分IL由;

方程2

地点:

SDD21=由从端口2流出的差分信号与进入端口1的差分信号之比定义的差分IL

S21=由从端口2流出的SE信号与进入端口1的SE信号之比定义的SE IL

S43=由从端口4发出的SE信号与进入端口3的SE信号之比定义的SE IL

S23=端口3到端口2的远端串扰耦合

S43=端口4到端口3的远端串扰耦合

从公式2中可以看出，当迹线越来越近，耦合项越来越大时，微分IL增加。

图7显示了所有三个示例的差异TDR。与其他两个例子中的4 mil迹线相比，蓝色迹线更陡峭的单调上升是由于3.35 mil迹线的电阻损失更高。

总结一下，微分对是紧耦合还是松耦合并不重要。经过适当的设计，两者都可以设计成与输出驱动器阻抗适当匹配。但正如我们所看到的，每一种都有优点和缺点。

更紧密的耦合以更高的损耗为代价提供了更好的路由密度。松耦合允许更容易绕过障碍和更少的损失。但在任何情况下，他们必须设计和测量差分阻抗。

那么为什么这很重要呢?

PCB制造车间使用阻抗作为衡量标准，以确定电路板是否已按规格制造。由于紧间距的迹线对的奇模阻抗取决于两个迹线的差分驱动，您将无法通过测量紧耦合对的SE阻抗来确定差分阻抗，就像您可以用两个不耦合的迹线一样。

引用:

1. 3 .李国强，“信号完整性简化”^{理查德·道金斯}版，Prentice Hall PTR, 2018
2. Keysight高级设计系统(ADS)[计算机软件]，(2020版)
3. Polar Instruments Si9000e[计算机软件]2017版