同轴电缆中差分信号的设计要点

2025-02-26
10:41 下午

同轴电缆是在无线电频率下长距离传输信号的主流选择。同轴电缆有频带限制，因此一般不用于传输数字数据或脉冲信号。不过，它们可用于传输特殊模拟应用中的信号，包括向接收器提供数据的调制信号。同轴电缆还可以用于传输差分模拟信号。

在模拟应用中使用差分信号并不常见；差分信号可能会用于特殊的测量应用，带有定制的差分驱动器或差分运算放大器。尽管如此，普通器件组合依然支持差分信号，因此可以将差分模拟信号路由到连接器中，包括连接到同轴电缆的 SMA 连接器。例如，在高噪声的环境中使用，目的是利用电缆屏蔽来防止额外的噪声。

如果计划在设计中利用同轴电缆传输同轴差分信号，那么需要留意一些设计要点。我们可能会发现系统中的频率或功率处理出现问题，因此需要采用不同的方法。

01 同轴电缆中的差分信号

差分信号布线的优势之一是抑制共模噪声，以及抑制差分信道中极性相反的信号的辐射噪声。该方法既适用于差分数字信号，也适用于模拟信号。在 PCB 上，噪声抑制水平是通过调整接地平面的位置和差分对之间的走线间距来控制的。为了达到设定的阻抗目标，如果距离接地平面较远，就需要保持较小的线对间距。

将差分线对的每一侧都布线到同轴电缆（如用于阻抗匹配同轴电缆的 SMA 连接器）时，有一些要点需要牢记。最重要的参数是频率和阻抗。下方的示例图很好地说明了这一点，其中差分对分成两部分连接到同轴电缆。

布线策略很简单：将每一半差分对布线到各自的同轴电缆中。这有助于确保差分对两侧的阻抗均符合连接器的规格。在差分对彼此分离的区域，阻抗开始增加。这是因为两根走线之间的互感和互容开始减小。由此会产生反射，需要对其加以抑制，而通过正确设计走线就能轻松抑制反射。

02 电缆输入端的反射

阻抗不匹配会在连接器的输入端产生反射。对于短电缆和低频应用而言，这种反射的影响微乎其微（见下文）。当电缆变长时，就需要强制执行阻抗匹配。

虽然可以设计窄带滤波电路来匹配阻抗，但有一种更简单的解决方案，即确保差分对中每条走线的单端阻抗都非常接近特性阻抗。这意味着差分对的布线间距要稍大一些，并且接地平面要更靠近堆叠。

为确保终端匹配，可以采用两种策略：

设计差分对时，使接地平面更靠近顶层
让差分对的走线间距大一些

这两种方法都会使走线阻抗更接近特性阻抗，并有助于减少差分对的噪声发射/接收。然后，我们需要确保单个走线阻抗与工作频率下的连接器/电缆阻抗相匹配。

03 该使用哪种阻抗？

需要注意，对于差分对中的走线，其实际阻抗是奇模阻抗，它总是略小于特性阻抗，如下图所示：

如果我们遵循上述设计原则，并使用较大的走线间距，奇模阻抗将与特性阻抗更为接近。在这种情况下，我们可以根据与连接器和电缆阻抗相匹配的特定特性阻抗来设计走线。这将确保向连接器和电缆的传输达到最大功率。

04 低频与高频

如果我们的差分模拟链路的工作频率较低，也就是说，与信号波长相比，连接器本体和（走线 + 信号发射）结构的电气结构较小，那么就不必担心上述问题。在这种情况下，驱动电路只会与负载阻抗产生直接作用。在低频（如 1 MHz 以下）情况下，只有当电缆长度达到 1 米或更长时，电缆阻抗才会起到主导作用。专业测量应用通常结构紧凑，电缆链路较短，因此除了接收器端，阻抗要求通常会被忽略。

在需要差分模拟信号的高频应用中，最好针对整个系统的目标阻抗（通常为 50 或 75 欧姆）进行设计。这是因为链路的物理长度远大于传播信号的波长，即使在较低的频率下也会发生反射。让接地平面靠近差分走线，以便提供屏蔽和一致的阻抗。还可以在仿真和测量中使用差分模式 S 参数对链路进行评估。