微带耦合差分传输线远端噪声的研究

摘要： 为了研究奇模传播速度与偶模传播速度对微带耦合差分传输线远端噪声的影响，从理论上分析论证奇模传播速度与偶模传播速度的不同步是产生微带耦合差分传输线远端噪声的根本原因。利用Mentor Graphics公司的HyperLynx传输线仿真软件建立模型。通过修改微带传输线的长度，修改IBIS模型的上升下降时间来分析差模信号与共模信号的时延差与频率对微带传输线远端噪声的影响。对仿真结果进行分析对比，提出微带耦合差分传输线的远端噪声可以看做延迟的共模信号分量与差分信号分量的和。

Abstract： In order to study the influence of the propagation velocity of odd and even modes on the far-end noise of microstrip coupling differential transmission line， this paper analyzes and demonstrates the out-sync of odd and even modes' propagation velocity is the primary cause of the far-end noise of microstrip coupling differential transmission line from the theory. A model is built by HyperLynx transmission line simulation software of Mentor Graphics Company. The influence of far-end noise of microstrip transmission line by the time delay and frequency of different-mode signal and common-mode signal is analyzed by changing the length of the microstrip transmission line and changing the rise and fall times of IBIS model. This paper analyzes and contrasts the simulation results to put forward that the far-end noise of microstrip coupling differential transmission line can be seen as the summation of common-mode signal component and differential signal component of the delay.

关键词： 微带线;差分传输线;信号完整性;奇模偶模

Key words： microstrip line;differential transmission line;signal integrity;odd and even modes

中图分类号：TN11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）04-0065-02

0 引言

1965年R.W.P.King 发表了Transmission-line Theory，传输线理论从此进入人们的视野。2003年Eric Bogatin的Signal Integrity-Simplified 全面地阐述了传输线信号完整性理论[1]。传统的远端噪声一般用容性耦合与感性耦合来分析[2]，本文引入模信号与共模信号的时延差与频率对微带传输线分析远端噪声的影响。从新的角度来分析这一问题。

差分传输线可以用两种模态来激励：奇模和偶模。俩种模态都可以在传输线上无失真的传输，都有各自的不同的阻抗、不同的速度。两者可以互相独立、互不干扰的传输[3]。由于奇模模态的差分信号与偶模模态的共模信号在微带传输线上的速度不同，导致了在微带线的远端会产生噪声。通常耦合差分传输线上的远端噪声可以用容性耦合电流与感性耦合电流之差来表示。有了奇模、偶模的概念，就可以把信号用奇模传输方式的差模信号和偶模传输方式的共模信号来表示。这样就可以利用差模信号和共模信号来分析微带耦合差分传输线的远端噪声[4]。

1 差分传输线的奇模和偶模

一般来说，差分传输线的前端可以加任意的电压，假设我们给线1加载0到3.3V的跳变电压，给信号2加载恒定的0V，如图1所示。实际上我们接收到的信号不再是一个单纯的跳变和一个恒定的0V，线1与线2必然发生耦合。使得线1与线2在远端都会产生噪声，如图2。

然而，对于耦合差分传输线而言，有两种特殊的电压可以在传输线上实现无失真的传输。我们称之为奇模模态和偶模模态，奇模模态就分别给两条信号线加上相反的跳变信号。可以实现无失真传输。偶模模态是给两条信号线加上相同的信号。这时两条传输线的dV/dt=0，不会产生容性耦合，dI/dt也是相同的，不会产生感性耦合。两条传输线可以无失真的传输[5]。

2 差分传输线的远端噪声的仿真

当微带线同时有共模信号和差分信号，那么它们会以各自不同的速度传播。尽管是同时从源端出发，但由于速度不同，共模信号、差模信号到达远端的延迟是不同的，那么就一定会产生远端噪声[6]。

设线1为攻击线、线2为受害线。给线1加载周期方波，线2为低电平0V，它们的共模分量与差模分量如图3所示。

本文研究的差分微带线的横截面如图4所示。

使用的介质材料为FR4，介质层的厚度为d1=10mil，微带线的宽度为w=6mil，厚度为d2=10mil，长度为L=1000mil。两条微带线的距离为s=6mil。这时传输线的远端时延差为：？驻T=-（1）

其中vevem为偶模速度，vodd为奇模速度。由于偶模信号与差模信号在微带传输线中传播的速度不同，随着长度L的增加，时延差也越来越大，共模信号与差模信号的分离越明显。产生的远端噪声越发严重，如图5、图6。？驻T时延差随长度的增加也增加。攻击信号随着长度的增加，振铃越来越明显。受害信号随着长度的增加干扰信号也越来越严重。

在差分传输线传输信号时，上升时间Tr是一个很重要的参数。上升时间Tr对于整个高速互连设计这至关重要。随着上升时间的减少，传输线的反射、串扰都愈发严重。远端噪声Vf的关系式为

Vf=Va（2）

其中？驻T=-，Va为动态线电压，Tr为上升时间。

可以看出随着Tr的减小，Vf明显增大， 如图7、图8上升时间分别为414.5ps、215.3ps、113.0ps。

如图7、图8所示，无论是攻击线还是受害线都随着上升时间的减少而明显增大。

3 结语

通过仿真分析验证了奇模传播速度与偶模传播速度对微带耦合差分传输线远端噪声的影响。远端噪声随着的增加而增加，随着的减小而增大。本文同时验证了用延迟的差模分量与共模分量来描述差分传输线的远端噪声。相对于传统的由感性耦合分量与容性耦合分量得到远端噪声提供了一种新的方法。为分析差分传输线的噪声提供了新的思路。未来差分传输线使用的会越来越多，对于其远端噪声的研究也会更加深入，本文的思想希望会对将来的研究者有所帮助。

参考文献：

[1]张木水，李玉山.信号完整性分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]Xiaomin Duan， R. Rimolo-Donadio， HD. Brüns， et al. Fast and concurrent simulations for SI， PI， and EMI analysis of multilayer printed circuit boards[C]. 2010 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility， 2010： 614-617.

[3]李钱赞.信号完整性与电源完整性的研究与仿真[D].杭州电子科技大学，2012.

[4]张海风.Hyperlynx仿真与PCB设计[M].北京：机械工业出版社，2005： 54-55.

[5]周路，贾宝富.信号上升或下降时间对高速电路信号完整性影响的研究[J].现代电子技术，2011，34（06）：69-73.

[6]Spartaco Caniggia， Francescaromana Maradei. Signal Integrity and Radiated Emission of High-Speed Digital Systems [M]. Wiley-IEEE Press， 2008.

――――――――――――

作者简介：于世龙（1987-），男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨工程大学硕士，主要研究方向为PCB板级电磁兼容、信号完整性、EMC设计。