差分信号回流路径的全波电磁场解析.pdf

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1、差分信号回流路径的全波电磁场解析差分信号回流路径的全波电磁场解析差分信号回流路径的全波电磁场解析xxx究所EDA设计部xxx摘要：本文以高速系统的差分信号回流路径为基本出发点,着重介绍了差分信号的参考平面的开槽间隙对回流路径的影响。通过Ansoft-HFSS对信号回路进行建模与参数分析；提取全波模型，在Hspice下进行时域分析。利用图文并茂相结合增强对差分信号回路的认识。指出了差分信号回路对信号完整性的影响。关键词：差分信号回流路径HFSSS参数场效应Hspice时域分析1、差分信号简介当驱动器在传输线上驱动一路

2、信号时，在信号线和返回路径之间会存在一个信号电压，通常称为单端传输线信号。当两路驱动器驱动一个差分对时，除了各自的单端信号外，这两路信号线之间还存在着一个电压差，称为差分信号。与单端信号相比，差分信（DifferentialSignal）在信号完整性方面有很多优势。如降低了轨道塌陷和EMI，有更好的抗噪声能力，对衰减不敏感。在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计。承载差分信号的任一一对走线就称为差分走线。差分传输线具有两种独特的传传输方式---奇模方式和耦模方式。奇模方式在两个

3、传输信号间存在以个非零电位，耦模方式一对信号相对GND有一个非零电位。而实际的差分信号带有直流偏置的差分信号。2、差分信号回路三维建模为了对差分信号回路进行精确的分析，需要借助三维的电磁场仿真软件。选用了Ansoft的HFSS进行三维建模和分析。HFSS是基于三维电磁场设计的EDA标准设计工具。HFSS依据其独有的模式®节点和超宽带插值扫频专有技术，利用有限元（FEM）快速精确求解整板级PCB或整个封装结构的所有电磁特性，真正全面考虑（准）静态仿真中无法分析的有失配、耦合、辐射及介质损耗等引起的电磁场效应，从而得到

4、精确的频域高频特性（如S参数等）并生成全波Sｐｉｃｅ模型以支持高频、高速、高密度PCB应用中实现精确的Sｐｉｃｅ宽带电路仿真设计。为了表明较长回流路径的影响，参见图2，描述了一根带状线跨过了地参考平面上的一个沟壑，构建的一个不连续回流路径的简单模型，该模型结构简单，回流路径很容易被理解，同时它也能被扩展应用到更多的常见结构中。定义信号回路的信号在PCB板上的位置以及PCB叠层如图1和结构如图2所示，为带状线，特征阻抗100欧姆，铜箔厚度0.035mm，信号线线宽0.127mm，信号的间隙为0.2286mm,，线长5

5、cm。介质厚度为0.1524mm，GND的铜箔度.0.035mm，介电常数4.0。图1PCB叠层结构信号跨分割沟壑，即信号的参考平面不是完整平面。回流路径中的间隙通常用于隔离电路板上的某个区域。当电源平面用做参考层或使用分离电源层时也会出现开槽的间隙。有时在回流路径中出现了非故意的开槽间隙，像回流路径中出砂孔过分刻蚀和交叠的情况，造成信号回流参考平面不完整。如图2所示:如图2跨越地平面沟壑信号的平面几何图形根据图1和图2，在HFSS下进行三维建模如图4，导线处在介电常数为4.0，损耗角正切为0.02的板材中，板材的

6、上下侧均为铜箔参考平面，导线的差分特征阻抗为102欧姆。图3完整参考平面的三维几何图形3、完整参考平面回路场效应分析导线的两端定义端口分别为Waveport1和Waveport2,端口Waveport1的激励定义为Waveport阻抗为50欧姆，差分阻抗为100欧姆；端口Waveport1的边界条件定义为Waveport阻抗为50欧姆,差分阻抗为100欧姆。场分析时，在整板外围设计为50C50C40空气体，将该空气体的吸收边界条件定义为Radiation。在HFSS中，设定求解的频率为2.5GHz，最大的ΔS为0.

7、05，设置为5％能满足精度要求而又不需要花费太多的时间，在此基础上加入间插频率扫描分析，即定义全波模型适用的频率范围，从0.01GHz扫描5GHz，步长0.01GHz，误差2％，进行分析计算。结果如下图5为：根据S参数的基本知识，如果以Waveport1作为信号的输入端口，Waveport2作为信号的输出端口，S11表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端，这个值越小越好，一般建议S11<0.1，即－20dB，S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB

8、，越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。图4S参数图5完整参考平面¾S参数曲线图如图4可以查出：T1的S11为0.059688，S21为0.9086；T2的S11为0.016963，S21为0.90776。如图5：T1和T2的S21<-20dB，S11<-3dB。从上面的S参数可以判断该信号为正常。然后进行铜箔平面的场的定义。铜箔平面GND