【導(dǎo)讀】高速 PCB 和信號標(biāo)準(zhǔn)對差分對的使用幾乎都有如下要求：精確的阻抗、長度匹配、信號偏移補(bǔ)償和損耗預(yù)算。為了達(dá)到此類重要的差分信號完整性目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員需要借助工具，精確地計(jì)算阻抗，以及了解差分信號與互連器件上各個(gè)功能元件的交互方式，如連接器、電纜、元件和過孔。
本文要點(diǎn)：
. 阻抗決定信號的傳播行為，互連器件上的每個(gè)功能元件都有一定的阻抗。
. 對于差分信號，過孔會有自己的差分阻抗，就像差分對中的走線具有特定的阻抗一樣。
. 影響差分對過孔阻抗的因素，會影響在過孔處觀察到的輸入阻抗。
高速 PCB 和信號標(biāo)準(zhǔn)對差分對的使用幾乎都有如下要求：精確的阻抗、長度匹配、信號偏移補(bǔ)償和損耗預(yù)算。為了達(dá)到此類重要的差分信號完整性目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員需要借助工具，精確地計(jì)算阻抗，以及了解差分信號與互連器件上各個(gè)功能元件的交互方式，如連接器、電纜、元件和過孔。
過孔應(yīng)以差分方式排列，就像走線對一樣。過孔對有自己的差分阻抗，因此也有自己的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)集（即 S 參數(shù)）。那么，有哪些因素會影響差分對的過孔阻抗？
這些差分對上的過孔有自己的阻抗，這可能會在長互連中造成信號完整性問題。
1. 了解差分對過孔阻抗
正如 PCB 上的走線一樣，過孔也有自己的阻抗，通常使用集總電路模型來描述，類似于傳輸線。了解過孔如何像一個(gè)簡單的電感器、LC 電路或純電容器一樣工作，將有助于了解過孔的結(jié)構(gòu)和附近的寄生效應(yīng)對過孔的差分阻抗有何影響。
以下因素將共同決定單個(gè)過孔的特性阻抗：
過孔電感：每個(gè)過孔都像一個(gè)充滿弱磁芯的小型電感器。雖然它們不會像大型電磁鐵那樣產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，但它們?nèi)匀痪哂须姼凶杩埂?/p>
與附近平面的寄生電容：波傳播的方向要求波與不同類型的不同阻抗相互作用。一個(gè)阻抗下的相互作用會影響后一個(gè)阻抗下的相互作用。
PCB 層壓板材料：PCB 層壓板的介電常數(shù)也會影響單個(gè)過孔的阻抗。
一旦使用差分信號驅(qū)動兩個(gè)過孔，它們的差分阻抗將由其寄生電容和電感耦合決定，就像偶模和奇模傳輸線一樣。確定差分阻抗后，我們現(xiàn)在需要計(jì)算出（差分對）+（通孔）組合的輸入阻抗，這決定互連中的 S 參數(shù)。
2. 差分過孔的輸入阻抗
對于帶有差分過孔結(jié)構(gòu)的互連，其差分阻抗的計(jì)算是一個(gè)迭代的過程；從接收端開始計(jì)算輸入阻抗，然后回到負(fù)載端。下圖解釋了具體的原理。圖中有一對位于驅(qū)動器和接收器之間的差分對，中間有一對差分過孔。
互連的每個(gè)部分都有自己的輸入阻抗。每個(gè)部分的差分輸入阻抗取決于所有下游部分的差分阻抗，這有點(diǎn)類似于標(biāo)準(zhǔn)傳輸線。我們可以寫出以下迭代方程，有關(guān)互連線 i 段的輸入阻抗和下一段的輸入阻抗：
輸入阻抗方程
該輸入阻抗將決定傳輸線各段的反射。對于通過過孔對的差分信號，過孔焊盤處的輸入阻抗可能與差分對 2 的差分阻抗相似，具體取決于過孔的長度和傳播延遲。
與傳輸線一樣，差分過孔也有一個(gè)臨界長度，決定了是否需要與兩側(cè)的差分對進(jìn)行精確的阻抗匹配。如果過孔長度較短，那么 tanh 函數(shù)將近似為 0，輸入阻抗將是 (i + 1) 段的差分阻抗。低速/低頻信號就會出現(xiàn)這種情況，因此我們通常不用擔(dān)心 10/100 以太網(wǎng)、低速 USB 或類似差分協(xié)議的差分阻抗。但對于其他協(xié)議，如千兆以太網(wǎng)或 MIPI 協(xié)議，過孔長度非常重要，應(yīng)該采取措施了解差分對過孔阻抗對互連損耗的影響。
3. 差分過孔的挑戰(zhàn)
經(jīng)過上文的討論，我們總結(jié)了以下幾點(diǎn)：
差分過孔對非常短時(shí)，其阻抗并不重要；此時(shí)過孔對的輸入阻抗等于差分對 2 的輸入差分阻抗。
過孔對非常長時(shí)，例如在較厚的背板中，差分過孔對的阻抗將決定傳播信號的阻抗失配。
過孔 stub 是阻抗失配的另一個(gè)來源，當(dāng) stub 較長時(shí)，會產(chǎn)生差分諧振。
使用短過孔和較短的 stub
要確定具體的應(yīng)用場景，需要查看過孔的臨界電氣長度。一般來說，對于帶寬高達(dá) 100 GHz 左右的信號，要使用較短的差分過孔對和背鉆技術(shù)以留下較短的過孔 stub。這樣解決了兩個(gè)問題，但卻增加了布線和堆疊設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并增加了系統(tǒng)的總成本。
使用差模 S 參數(shù)
要全面總結(jié)過孔對的行為，我們需要借助差模 S 參數(shù)。當(dāng)差分對的過孔阻抗與這一部分的輸入阻抗不匹配時(shí)，就會產(chǎn)生一定程度的回波損耗。高速通道中的總損耗（回波損耗加插入損耗）需要與差分通道中的損耗預(yù)算進(jìn)行比較，而損耗預(yù)算將在接收器規(guī)格中指定。
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