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[嵌入式]差分走线_HFSS学习笔记(2)

【壹】在AD中绘制差分线,以USB模块为例

一、差分线与USB

差分传输是一种信号传输的技术,区别于传统的一根信号线一根地线的做法,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相同,相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。

在微波工程里,差分线其实就是双微带线; 在PCB电路板上,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

差分信号的优点就是能够识别小信号以及可以很好地抵抗外部电磁干扰。

USB2.0能够实现高速数据传输,高速数据传输PCB板最主要的就是差分信号走线。

本文的例子是实现单片机与电脑之间串口通信的一个简单的模块的pcb电路板绘制(基于AD19)。
在这里插入图片描述
在该电路里,usb接口与CH340N的D-与D+信号线需要差分等长走线。

二、绘制差分线

1、设置差分布线规则

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2、设置差分线网络

在这里插入图片描述
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在这里面设置的差分线线宽10mil,线距6mil是一个经验值;差分线线宽和线距对差分线特性阻抗的影响可见第【贰】部分,实际阻抗的计算可见第【叁】部分。

3、布线

在这里插入图片描述

4、布线完后查看两根线的长度

在这里插入图片描述
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如上两图所示,此处的线一样长,因此可以不用做等长调节。
若不等长,还需做一个等长调节。值得注意的是等长调节需要放在信号发送端。
在这里插入图片描述
【网络等长调节】是对其中一根线做调整使得两根线长度一致;【差分对网络等长调节】是对两个线同时等长。

【贰】探究差分线的线宽与线距对差分线阻抗的影响(基于HFSS15)

阻抗是电路中电流所起的阻碍作用。阻抗可分为两个部分,电阻(实部)和电抗(虚部),电抗又包括容抗和感抗,由电容引起的电流阻碍称为容抗,由电感引起的电流阻碍称为感抗。阻抗Z= R+i( ωL–1/(ωC))。

阻抗匹配(impedance matching) 主要用于传输线上,以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的,而且几乎不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。

阻抗匹配有两种方法,一是改变阻抗力,二是调整传输线;改变阻力就是通过外加电阻电容电感进行调节;传输线调整就是对差分线线宽和线距的调节。

下面的实验主要是对差分线的线宽和线距进行调节从而探究这两者的变化对阻抗的影响。

一、创建新工程

详见上一篇文章

二、创建模型

1、设置模型所需变量

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2、画差分线模型

(1)画介质层
绘制一个【Box】后,右击creatbox,点击properties进行属性设置。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
接着【ctrl+D】即可看到最佳视图
在这里插入图片描述
(2)绘制第一个差分信号线
绘制【Rectangle】后进行属性设置
在这里插入图片描述
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(3)绘制第二根差分线(采用对第一个信号线进行镜面复制的方式)
在这里插入图片描述
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填写完成后单击回车即保存
在这里插入图片描述
同理,填写完成后单击回车即保存。
在这里插入图片描述
(4)绘制空气腔
详见上一篇文章
(5)创建激励端口
在这里插入图片描述

三、计算求解

1、设置求解类型

在这里插入图片描述
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2、设置边界条件

在这里插入图片描述
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3、设置激励端口

在这里插入图片描述

4、设置差分信号线

在这里插入图片描述
【new pair】两次,勾选matched
在这里插入图片描述

5、开始求解

(1)选择求解方式
在这里插入图片描述
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(2)设置边界条件
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(3)扫描变量
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
开始对所设置的参数进行扫描分析
在这里插入图片描述

四、查看结果与分析

1、差模阻抗

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可以看到,在线间距S一定的情况下,差模阻抗随着线宽W的增加而减小;在线宽W一定的情况下,差模阻抗随着线间距S的增加而增加。

2、共模阻抗

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可以看到,在线间距S一定的情况下,共模阻抗随着线宽W的增加而减小;在线宽W一定的情况下,共模阻抗随着线间距S的增加而减小。

同时,对比两个图可以看到,在相同的线宽与线间距下,差模阻抗大于共膜阻抗。

【叁】使用软件SI9000计算阻抗

在这里插入图片描述
利用软件计算第【壹】部分画板中的差分线线宽10mil,线距6mil的差分阻抗为107.56Ω;笔者在嘉立创打的板,材料用的FR4,介质系数4.4;板厚1盎司(OZ)= 0.035mm ≈ 1.378mil;介质厚度1.6mm ≈ 62.992mil。
在这里插入图片描述
其他参数可参考这个大佬的

将线距调整为5mil后,得到的阻抗值更接近于100Ω,所以差分线线距应该调整为5mil更佳。
在这里插入图片描述

🚀附上本文用到PCB文件
🚀关于阻抗的那部分知识来自于https://m.eefocus.com/analog-power/416146
🚀SI9000软件来着http://www.jh-tec.cn/archives/1136,感谢大哥!

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加:2022-06-14 22:50:26  更:2022-06-14 22:52:05 
 
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