简单地说，差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)来说，这是一对迹线，也称为微分对。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)传输线相同的瞬时阻抗的原因是一样的: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。但是您必须理解一对跟踪之间的间距的含义。

微分阻抗只是每道奇模阻抗的两倍。SE阻抗是单个道的阻抗，只有当它们之间很少或没有对内耦合时才等于奇模阻抗。当迹线靠近时，微分阻抗降低，除非调整线宽进行补偿。(稍后再详细介绍。)

图1显示了差分驱动的一对边缘耦合带状线迹对对内耦合的影响。上图显示了一个松散耦合的线对周围的电磁场，线宽为3.5。下面的图显示了一个距离1.5行宽的紧密耦合对。红色的正轨迹是流入页面的电流，而蓝色的负轨迹是流出页面的电流。

每个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，使用右手法则。电场(e)线与磁场线垂直。它们是电容的量度。

图1。差分驱动的一对边耦合带状线对偶内耦合的影响。上图显示了一个松散耦合的线对周围的电磁场，线宽为3.5。下面的图显示了在1.5行宽处紧密耦合的一对。

当磁迹松散耦合时，电场线和磁场线在每个磁迹周围相当对称，并且围绕它们之间的中心线互为镜像。大部分各自的电场耦合是与参考地平面。当迹线彼此靠近时，反向旋转的环围绕中心线压缩，降低电感。与此同时，沿着每道内边缘的更多电场线趋于相互耦合，增加了电容。

由于em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，就像它们之间有一个固体参考平面一样。

奇模阻抗

考虑一对宽度相等的微带线迹，标记为1和2，它们之间的间距恒定，如图2所示。假设无损耗传输线，每个单独的轨迹，当被隔离驱动时，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。

当对迹被差分驱动时，传播模式为奇。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)和互电容(Cm)定义的电磁耦合。

迹与参考平面的接近程度影响迹之间的电磁耦合量。迹线越接近参考平面，自环电感越低，自电容越强;产生较低的互感，和较弱的互电容之间的迹。最终的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，就可以建立如下的lc矩阵:

L11 l12 c11 c12

L21 l22 c21 c22

迹1和迹2的自环电感和自电容分别为L11、C11、L22、C22。在完全对称微分对中，每个矩阵中的非对角线(12,21)项分别为互感项和互电容项。LC矩阵可以用来确定奇模阻抗。计算公式为:[1]

地点:

Zodd奇模阻抗

Ls=自环电感=l₁₁＝l₂₂

Cs=自电容=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迹、间隔为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，松耦合对的奇模阻抗等于SE迹的特征阻抗，因此微分阻抗是相同的。

但是如果您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(除非您调整线宽)。例如，在图4的左侧，4-4-4 mil几何结构的微分阻抗为91欧姆。为了得到100欧姆的差速器，线宽必须减少到3.35密耳，空间调整到4.65密耳，以保持相同的12密耳中心-中心间距，如图所示。

但这并没有结束。

对于一些行业标准，通常有一个非常短的到达(VSR)规范，其中定义了最大的信道损耗。例如，IEEE 802.3 cai -4芯片模块(C2M)规范预算7.5 dB在12.89 GHz Nyquist频率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。由于现代的机架顶部路由器和交换机，在主开关芯片和SFP模块之间有10英寸或更多英寸是很常见的，微分对几何设计对于满足微分阻抗和插入损耗(IL)变得很重要。

减小线宽和更紧密的耦合导致在通道长度上更高的损耗。使用上面的例子，微分IL在图5中绘制了所有三个微分对。绿色表示松散耦合;不调整线宽的紧耦合(Tight1)显示为红色，而调整线宽的紧耦合(Tight2)显示为蓝色。

正如您所看到的，在12.89 GHz时，在10.6英寸以上的松耦合和紧耦合示例之间有大约半dB的差异。紧密耦合降低IL，无论是否调整线宽以满足差分阻抗。在这个例子中，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4端口s参数，SE端口顺序如图6所示，差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=从2号端口发出的SE信号与进入1号端口的SE信号之比定义的SE IL

S43=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

从方程2中可以看出，当迹更近，耦合项变大时，微分IL增加。

图7绘制了所有三个例子的不同TDR。与其他两个例子中的4 mil迹相比，蓝色迹的单调上升幅度更大是由于3.35 mil迹的电阻损失更高。

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，两者都可以被设计成适当匹配输出驱动器阻抗。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微分阻抗。

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。由于紧密间隔的迹对的奇模阻抗依赖于差分驱动两个迹，因此不能像使用两个未耦合迹对那样，仅通过测量一个紧密耦合对的SE阻抗来确定微分阻抗。

引用:

1. E. Bogatin，“简化信号完整性”，3^{理查德·道金斯}版，普伦蒂斯大厅PTR, 2018年
2. Keysight高级设计系统(ADS)[计算机软件]，(2020版本)
3. 极地仪器Si9000e[计算机软件]2017版