同軸電纜中差分信號的設(shè)計要點

同軸電纜是在無線電頻率下長距離傳輸信號的主流選擇。同軸電纜有頻帶限制，因此一般不用于傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或脈沖信號。不過，它們可用于傳輸特殊模擬應(yīng)用中的信號，包括向接收器提供數(shù)據(jù)的調(diào)制信號。同軸電纜還可以用于傳輸差分模擬信號。

在模擬應(yīng)用中使用差分信號并不常見；差分信號可能會用于特殊的測量應(yīng)用，帶有定制的差分驅(qū)動器或差分運算放大器。盡管如此，普通器件組合依然支持差分信號，因此可以將差分模擬信號路由到連接器中，包括連接到同軸電纜的 SMA 連接器。例如，在高噪聲的環(huán)境中使用，目的是利用電纜屏蔽來防止額外的噪聲。

如果計劃在設(shè)計中利用同軸電纜傳輸同軸差分信號，那么需要留意一些設(shè)計要點。我們可能會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的頻率或功率處理出現(xiàn)問題，因此需要采用不同的方法。

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同軸電纜中的差分信號

差分信號布線的優(yōu)勢之一是抑制共模噪聲，以及抑制差分信道中極性相反的信號的輻射噪聲。該方法既適用于差分?jǐn)?shù)字信號，也適用于模擬信號。在 PCB 上，噪聲抑制水平是通過調(diào)整接地平面的位置和差分對之間的走線間距來控制的。為了達到設(shè)定的阻抗目標(biāo)，如果距離接地平面較遠，就需要保持較小的線對間距。

將差分線對的每一側(cè)都布線到同軸電纜（如用于阻抗匹配同軸電纜的 SMA 連接器）時，有一些要點需要牢記。最重要的參數(shù)是頻率和阻抗。下方的示例圖很好地說明了這一點，其中差分對分成兩部分連接到同軸電纜。

布線策略很簡單：將每一半差分對布線到各自的同軸電纜中。這有助于確保差分對兩側(cè)的阻抗均符合連接器的規(guī)格。在差分對彼此分離的區(qū)域，阻抗開始增加。這是因為兩根走線之間的互感和互容開始減小。由此會產(chǎn)生反射，需要對其加以抑制，而通過正確設(shè)計走線就能輕松抑制反射。

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電纜輸入端的反射

阻抗不匹配會在連接器的輸入端產(chǎn)生反射。對于短電纜和低頻應(yīng)用而言，這種反射的影響微乎其微（見下文）。當(dāng)電纜變長時，就需要強制執(zhí)行阻抗匹配。

雖然可以設(shè)計窄帶濾波電路來匹配阻抗，但有一種更簡單的解決方案，即確保差分對中每條走線的單端阻抗都非常接近特性阻抗。這意味著差分對的布線間距要稍大一些，并且接地平面要更靠近堆疊。

為確保終端匹配，可以采用兩種策略：

設(shè)計差分對時，使接地平面更靠近頂層

讓差分對的走線間距大一些

這兩種方法都會使走線阻抗更接近特性阻抗，并有助于減少差分對的噪聲發(fā)射/接收。然后，我們需要確保單個走線阻抗與工作頻率下的連接器/電纜阻抗相匹配。

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該使用哪種阻抗？

需要注意，對于差分對中的走線，其實際阻抗是奇模阻抗，它總是略小于特性阻抗，如下圖所示：

如果我們遵循上述設(shè)計原則，并使用較大的走線間距，奇模阻抗將與特性阻抗更為接近。在這種情況下，我們可以根據(jù)與連接器和電纜阻抗相匹配的特定特性阻抗來設(shè)計走線。這將確保向連接器和電纜的傳輸達到最大功率。

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低頻與高頻

如果我們的差分模擬鏈路的工作頻率較低，也就是說，與信號波長相比，連接器本體和（走線 + 信號發(fā)射）結(jié)構(gòu)的電氣結(jié)構(gòu)較小，那么就不必擔(dān)心上述問題。在這種情況下，驅(qū)動電路只會與負載阻抗產(chǎn)生直接作用。在低頻（如 1 MHz 以下）情況下，只有當(dāng)電纜長度達到 1 米或更長時，電纜阻抗才會起到主導(dǎo)作用。專業(yè)測量應(yīng)用通常結(jié)構(gòu)緊湊，電纜鏈路較短，因此除了接收器端，阻抗要求通常會被忽略。

在需要差分模擬信號的高頻應(yīng)用中，最好針對整個系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗（通常為 50 或 75 歐姆）進行設(shè)計。這是因為鏈路的物理長度遠大于傳播信號的波長，即使在較低的頻率下也會發(fā)生反射。讓接地平面靠近差分走線，以便提供屏蔽和一致的阻抗。還可以在仿真和測量中使用差分模式 S 參數(shù)對鏈路進行評估。