4耦合度的概念

上一篇文章講述了無耦合差分線的阻抗。當差分對的兩條線距離靠近時，它們之間的耦合電容和耦合電感會發生變化。用相對耦合度來表述它們之間的耦合程度。例如2根50Ω阻抗控制、線間距是5mil、位于FR4 PCB上的帶狀線，它們之間的線距和耦合度關系如下圖。可以看出，隨著兩條信號線之間的距離減小，耦合度會增加。不過即使線間距在1倍線寬的情況下，耦合度也只有15%。而當線間距是3倍線寬時，耦合度只有1%，再往后基本就可以忽略了。

5差分信號線中的信號波形對阻抗的影響

一對差分線由LINE+和LINE-組成，當差分對的兩條線距離很遠時，LINE+的特征阻抗和LINE-沒有關系。

當差分對的兩條線間距很近（通常差分線間距小于三倍線寬時），LINE+和LINE-上不同的波形形態對阻抗影響不同。

情況一：LINE+有信號，LINE-無信號時（0V）

在此種情況下，隨著LINE+和LINE-的距離越近，LINE+的阻抗會減小，但變化幅度不到1%。

情況二：LINE+與LINE-信號反向時

在此種情況下，隨著LINE+和LINE-的距離越近，LINE+的阻抗會減小。

情況三：LINE+與LINE-信號同向時

在此種情況下，隨著LINE+和LINE-的距離越近，LINE+的阻抗會增加。

下圖是上述三種情況下，LINE+的阻抗變化曲線。出現這種狀況的原因是：不同信號狀態導致流過LINE+和LINE-耦合電容的電流不同，由此導致信號線阻抗發生變化。

差分信號使用場景是情況二，因此隨著差分信號距離減小，耦合度增加，每根信號線的單端阻抗會減小，差分阻抗也會減小。

6 差分信號線的阻抗計算公式

如下是差分信號線阻抗的近似計算公式

（一）差分微帶線的差分阻抗公式：

Z0是單端阻抗值。S表示差分對的邊沿到邊沿距離，單位是mil。h是差分對中每一根單端線和參考平面之間的介質厚度。

（二）差分帶狀線的差分阻抗公式：

Z0是單端阻抗值。S表示差分對的邊沿到邊沿距離，單位是mil。b是帶狀線上下介質層的總厚度。

7 差分信號線的返回電流分布、及對差分阻抗的影響

之前我總認為差分信號的電流是從LINE+流入，經過負載后再從LINE-流出，好像和返回路徑沒啥關系。現實中其實并不是這樣，返回電流在返回平面上有所分布，并且電流分布不同，對差分阻抗有不同影響。

（一）差分微帶線的返回電流分布和差分阻抗

首先，先來看看差分信號的電流是怎么分布的。如下圖是2根線寬為5mil的微帶差分線。上半張圖兩線間距是15mil（耦合度很小了）。下半張圖兩線間距是5mil（緊耦合）。信號線上傳輸的信號頻率是100MHz。顏色越淺的地方，表示電流密度越大。

針對上半張圖，假設1號線是LINE+，如果它的信號電流方向是流入屏幕，那么它的返回電流在返回平面中是流出屏幕。類似的，2號線是LINE-，它的信號電流是流出屏幕，它的返回電流在返回平面中是流入屏幕。因為這兩條線之間的距離很大（15mil），所以當差分信號在信號線上傳輸時，這兩條線對應返回平面上的電流不會重疊。

針對下半張圖，即使1號線和2號線已經靠的很近（5mil），返回平面上的電流重疊也不多。

接下來增大差分線和返回平面之間的距離，隨著返回平面越來越遠，兩根信號在返回平面上的返回電流重疊面積會變大。（把線1和線2想象成2個燈泡，返回平面是一堵墻，線1和線2都會在墻上投影燈光。隨著燈泡和墻之間的距離越來越遠，燈泡1和燈泡2在墻上投影的重疊面積會越來越大）。

因為線1和線2在返回平面上制造的返回電流方向是相反的。隨著返回平面越來越遠，兩根信號在返回平面上的返回電流重疊度越來越高，最后返回電流會完全抵消。此時返回平面對差分傳輸線的差分阻抗沒有影響了。這時的差分傳輸線才可以等效為本節剛開始時表述的：差分信號的電流是從LINE+流入，經過負載后再從LINE-流出，好像和返回路徑沒啥關系。

（二）雙絞線的返回電流分布和差分阻抗

如下是一對屏蔽雙絞線的示意圖。綠色線是差分信號線，線徑D。灰色是絕緣層，兩信號線的間距S由絕緣層的厚度決定。橙色是屏蔽層，R是屏蔽層的厚度。

雙絞線上有信號傳輸時，屏蔽層就是返回平面，有返回電流在屏蔽線上流動。和微帶線一樣，兩根信號線各自在屏蔽層上產生的返回電流方向是相反的。

如果屏蔽層的厚度足夠大（返回平面和信號線距離很大，通常是屏蔽層半徑R超過2倍的S時），返回電流大致呈對稱分布，相互疊加抵消，屏蔽層對差分信號阻抗沒有影響。無屏蔽雙絞線的效果和此類似。

如果屏蔽層的厚度不是很大（即屏蔽層緊靠雙絞線時），屏蔽層中的返回電流會輕微的影響差分阻抗。原因是什么呢？屏蔽層和雙絞線靠的太近時，有幾率出現雙絞線不完全基于中心軸對稱布置，導致差分信號在屏蔽層產生的返回電流也非對稱，最終會輕微的影響差分阻抗。

總之：針對差分信號

①差分信號之間的耦合度比差分信號線與返回平面間的耦合度低時（差分線間距>差分線與返回平面間距），返回平面出現明顯的返回電流。返回平面影響到差分阻抗。

②差分信號之間的耦合度比差分信號線與返回平面間的耦合度高時（差分線間距<差分線與返回平面間距），返回平面中的絕大部分返回電流疊加、抵消。此時返回平面不影響差分信號，電流等效為從LINE+傳輸到負載，再從LINE-回到源端。

③根據經驗法則，要使差分信號之間的耦合度高于差分信號與返回平面之間的耦合度，需要差分信號線與返回平面之間的距離大于兩信號線間距的2倍。

④在我們常見的PCB設計中，信號線與返回平面的間距要比兩信號線間距小，因此返回平面還是很關鍵的。在做PCB設計時，差分信號需要返回平面完整。例如在返回平面中出現了間隙，在有間隙那一段，LINE+的返回電流只能靠LINE-傳送，導致差分阻抗在此處發生變化。可以通過增加兩線間的耦合度，使差分阻抗變化最小。

⑤還有一種場景是差分信號經過連接器時，兩條信號線之間的耦合度會在連接器處發生變化。具體信息需要仿真得到。