中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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同軸電纜是在無(wú)線(xiàn)電頻率下長(cháng)距離傳輸信號的主流選擇。同軸電纜有頻帶限制，因此一般不用于傳輸數字數據或脈沖信號。不過(guò)，它們可用于傳輸特殊模擬應用中的信號，包括向接收器提供數據的調制信號。同軸電纜還可以用于傳輸差分模擬信號。
在模擬應用中使用差分信號并不常見(jiàn)；差分信號可能會(huì )用于特殊的測量應用，帶有定制的差分驅動(dòng)器或差分運算放大器。盡管如此，普通器件組合依然支持差分信號，因此可以將差分模擬信號路由到連接器中，包括連接到同軸電纜的 SMA 連接器。例如，在高噪聲的環(huán)境中使用，目的是利用電纜屏蔽來(lái)防止額外的噪聲。
如果計劃在設計中利用同軸電纜傳輸同軸差分信號，那么需要留意一些設計要點(diǎn)。我們可能會(huì )發(fā)現系統中的頻率或功率處理出現問(wèn)題，因此需要采用不同的方法。
同軸電纜中的差分信號
差分信號布線(xiàn)的優(yōu)勢之一是抑制共模噪聲，以及抑制差分信道中極性相反的信號的輻射噪聲。該方法既適用于差分數字信號，也適用于模擬信號。在 PCB 上，噪聲抑制水平是通過(guò)調整接地平面的位置和差分對之間的走線(xiàn)間距來(lái)控制的。為了達到設定的阻抗目標，如果距離接地平面較遠，就需要保持較小的線(xiàn)對間距。
將差分線(xiàn)對的每一側都布線(xiàn)到同軸電纜（如用于阻抗匹配同軸電纜的 SMA 連接器）時(shí)，有一些要點(diǎn)需要牢記。最重要的參數是頻率和阻抗。
布線(xiàn)策略很簡(jiǎn)單：將每一半差分對布線(xiàn)到各自的同軸電纜中。這有助于確保差分對兩側的阻抗均符合連接器的規格。在差分對彼此分離的區域，阻抗開(kāi)始增加。這是因為兩根走線(xiàn)之間的互感和互容開(kāi)始減小。由此會(huì )產(chǎn)生反射，需要對其加以抑制，而通過(guò)正確設計走線(xiàn)就能輕松抑制反射。
電纜輸入端的反射
阻抗不匹配會(huì )在連接器的輸入端產(chǎn)生反射。對于短電纜和低頻應用而言，這種反射的影響微乎其微（見(jiàn)下文）。當電纜變長(cháng)時(shí)，就需要強制執行阻抗匹配。
雖然可以設計窄帶濾波電路來(lái)匹配阻抗，但有一種更簡(jiǎn)單的解決方案，即確保差分對中每條走線(xiàn)的單端阻抗都非常接近特性阻抗。這意味著(zhù)差分對的布線(xiàn)間距要稍大一些，并且接地平面要更靠近堆疊。
為確保終端匹配，可以采用兩種策略：
設計差分對時(shí)，使接地平面更靠近頂層
讓差分對的走線(xiàn)間距大一些
這兩種方法都會(huì )使走線(xiàn)阻抗更接近特性阻抗，并有助于減少差分對的噪聲發(fā)射/接收。然后，我們需要確保單個(gè)走線(xiàn)阻抗與工作頻率下的連接器/電纜阻抗相匹配。
該使用哪種阻抗？
需要注意，對于差分對中的走線(xiàn)，其實(shí)際阻抗是奇模阻抗，它總是略小于特性阻。
如果我們遵循上述設計原則，并使用較大的走線(xiàn)間距，奇模阻抗將與特性阻抗更為接近。在這種情況下，我們可以根據與連接器和電纜阻抗相匹配的特定特性阻抗來(lái)設計走線(xiàn)。這將確保向連接器和電纜的傳輸達到最大功率。
低頻與高頻
如果我們的差分模擬鏈路的工作頻率較低，也就是說(shuō)，與信號波長(cháng)相比，連接器本體和（走線(xiàn) + 信號發(fā)射）結構的電氣結構較小，那么就不必擔心上述問(wèn)題。在這種情況下，驅動(dòng)電路只會(huì )與負載阻抗產(chǎn)生直接作用。在低頻（如 1 MHz 以下）情況下，只有當電纜長(cháng)度達到 1 米或更長(cháng)時(shí)，電纜阻抗才會(huì )起到主導作用。專(zhuān)業(yè)測量應用通常結構緊湊，電纜鏈路較短，因此除了接收器端，阻抗要求通常會(huì )被忽略。
在需要差分模擬信號的高頻應用中，最好針對整個(gè)系統的目標阻抗（通常為 50 或 75 歐姆）進(jìn)行設計。這是因為鏈路的物理長(cháng)度遠大于傳播信號的波長(cháng)，即使在較低的頻率下也會(huì )發(fā)生反射。讓接地平面靠近差分走線(xiàn)，以便提供屏蔽和一致的阻抗。還可以在仿真和測量中使用差分模式 S 參數對鏈路進(jìn)行評估。
文章來(lái)源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心
