一种矫正高速差分信号内部分偏的方法

简介：
本发明提出了一种用于修正高速差分信号内部偏差的技术方法，旨在提升信号传输的质量和稳定性。该技术通过对信号路径中特定点进行精准调节，有效消除或减少因线路布局、材料特性等因素引起的信号不匹配问题，适用于多种高频通信系统及电子设备设计中。 ### 差分对内等长对信号的影响及解决方案 #### 概述 随着串行数据速率的不断提高，PCB布局中的微小不均衡以及玻璃纤维编织的非均匀性导致差分对内的正负信号之间产生时钟偏移（称为差分对内时钟偏移或intra-pair skew），这逐渐成为影响信号宽度的重要因素。这种偏移不仅增加了抖动，还增加共模能量。本段落将探讨一种有效的解决方案——通过在差分信号的地回路中引入小的切口来创建共模带阻滤波器，这种方法能够显著降低这些不利影响，同时几乎不影响差分信号的传输。 #### 作者简介 Mike Jenkins是Xilinx公司的高级工程师，拥有伊利诺伊大学厄巴纳分校电气工程学士学位、数学硕士学位以及雪城大学电气工程硕士学位。在其长达40年的职业生涯中，Jenkins先生曾在IBM、LSI公司及Xilinx担任过多个职位，并专注于信号完整性和SerDes设计分析领域，他有18项专利。 #### 引言 随着信号速率的提高远超过传输材料改进的步伐，通道长度减少的速度也未能跟上。因此，导致差分信号正负路径间时钟偏移的因素（即差分对内时钟偏移）成为了一个更为紧迫的问题。将这种情况视为不希望发生的差分到共模转换而非简单的延迟差异，可以更直接地解决问题，并找到一个简单的解决方案——尽管这一方案违背了PCB信号完整性中最神圣的原则之一：不要让高速线跨过分割的地平面。 #### 差分对内时钟偏移的影响 虽然最明显的担忧是接收的差分信号是否会因差分对内时钟偏移而受到直接影响，但实际上差分信号对于适度的时钟偏移具有相当高的鲁棒性（通常为±0.5个单位间隔）。在这个范围内，最令人担忧的是模式转换，即从纯差分信号中产生了共模电压。 共模电压会导致辐射从而引起更强的电磁干扰（EMI），相比于纯差分信号，这种现象更容易引发电磁干扰问题。此外，随着信号速率增加，产生共模电压的现象会更加显著，进一步加剧了EMI问题，并可能降低系统性能。因此，寻找有效的方法来减少或消除这种共模电压变得尤为重要。 #### 解决方案 传统的解决方案通常是通过调整线路长度或优化布局来减小差分对内时钟偏移。然而，这些方法往往只能解决部分问题并较为复杂。本段落提出了一种新的解决方案：在差分信号的地回路中引入小的切口以创建共模带阻滤波器。 这种滤波器的设计思路在于利用地平面上的小切口形成一个特定频率范围内的共模带阻滤波器，能够在保留差分信号完整性的前提下有效地衰减特定频段内共模噪声。通过这种方式，即使存在一定的时钟偏移，也可以显著减少共模能量的产生，并降低EMI风险。 #### 实现细节 为了实现上述共模带阻滤波器的设计方案需要考虑以下几个关键因素： 1. **切口尺寸与位置**：切口大小及其在地平面的位置至关重要，必须根据具体信号频率和所需滤波效果进行精确计算。 2. **布局优化**：除了引入切口外还需对整个布局进行优化以确保差分对匹配性和整体信号完整性不受影响。 3. **仿真验证**：应用前应通过仿真工具验证设计方案能否达到预期的效果。 #### 结论 差分对内时钟偏移是高速数字系统设计中日益严峻的问题。本段落提出将问题视为从差分到共模转换，从而采用在地回路引入小切口创建共模带阻滤波器的有效方案。此方法不仅显著降低共模能量、减少EMI风险而且对差分信号影响极小，是一种极具前景的技术手段。对于面临类似挑战的设计师来说这一方法提供了宝贵的参考和启示。 #### 参考文献 - Jenkins, M. (2015). A Cure for Intra-pair Skew in High Speed Differential Signals. DesignCon 2015. 通过对上述内容的深入探讨，我们可以看到，在高速信号传输中遇到的差分对内时钟偏移问题不仅是技术上的挑战也是对未来高速系统设计方向的一种提示。通过不断创新和优化我们有望克服当前的技术限制推动信号传输技术进一步发展。