没有地参考到底行不行，一次给大家说明白！

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作者：一博科技高速先生成员 黄刚

从上篇文章的仿真结果来看，一对差分线的确是可以通过互为回流的方式来很好的控制到阻抗，那么为什么所有设计规则中，甚至从我们的认知中都觉得需要有一个参考地才能是完整的差分线传输结构呢？对于很多工程师来说，他们可能都说不出具体的原因，但是地这个概念已经深入他们的心里去了，那么今天，高速先生就希望给你们都讲个明白哈！


首先我们还是先拿上篇文章建立的模型继续展开来说哈，为什么没有地也能控制到阻抗，理论和公式告诉我们，阻抗和参考平面的距离成正比，同时也知道，如果与参考平面的距离（下图的H参数）太近的话，同样情况下阻抗是低的，因此我们先验证下，如果参考平面从比较近到慢慢变远的过程中，差分线的阻抗到底会呈现一个怎么样的变化。


果然，我们扫描H这个参数，会发现随着H的增大，阻抗的确慢慢增加，但是同时也需要注意到最重要的一点，就是当H增大到一定的数值后，阻抗增加的幅度就变得很小了。。。


因此，如果H再增加的，就很接近上篇文章没有地的100欧姆了，当然由于本文的这个模型还增加了一对旁边的走线，gap为3W，因此也会受到一丢丢旁边走线的影响，阻抗也会略低。至于，为什么本文要增加旁边的一对走线，后面你们就知道啦！


我们知道，如果是单端信号的话，它必须要有回流路径，也就是我们通俗说的参考平面才能控制到阻抗，保证信号的传输，差分信号就是可以互为回流路径，才能控制阻抗和往前传输。对于单端信号而言，它只会有对“地”的阻抗，但是作为差分线，它就存在差分阻抗和共模阻抗两个形式，所谓差分阻抗就是我们平时说的差分线的阻抗，就是差分线P和N作为差模传输情况下的阻抗，但是差分线还有共模阻抗一说，也就是差分线P和N各自对“地”的阻抗，用于传输差分对的同模信号。正常来说，理想的差分线是不存在同模信号的，但是只是在理想情况下而已，在非理想情况下或多或少都会产生同模信号，因此共模信号就会随着差分对一起传输和串扰到其他信号上去。


说了那么多理论，到底没有地会存在什么具体的风险吗？我们还是以上面的模型继续往下分析哈。除了差分对的差模阻抗外，我们随便看看它的共模阻抗，正常按照100欧姆的差分阻抗控制的话，理想的共模阻抗为25欧姆（也就是单端50欧姆的对地并联阻抗），通过下图能看到，随着参考平面的距离越来越远，共模阻抗增加得非常明显，而且更重要的一点是，40mil这样看起来已经比较远的地距离和没有地的情况下，共模阻抗还不是一个很接近的量级，相差还是比较大的。


那问题来了，共模阻抗增大有什么影响吗？这就是我们的模型为什么建了2对差分线的原因了。可以看到，还是随着地平面距离的增加，这个两对线之间的共模串扰变得非常的严重。这才是没有地平面时产生的最大问题点，共模阻抗增加之后，反射变得严重，另外由于没有地平面的包裹，共模的能量就很轻易的往四周扩散，因此串扰会急剧的增加。


总结一下哈，首先在没有地平面的情况下，差分线的差模阻抗的确是可以通过差分线之间的回流来控制到，但是差分线会存在着共模阻抗这一个形式，共模阻抗是需要地平面来控制的，在理想情况下的确差分线是不存在共模阻抗的，但是在非理想情况下一旦产生了共模分量，它就是能很轻易的往板上的其他信号甚至往空间去扩散，形成对其他信号的严重串扰和EMI辐射，是一个不少粉丝可能没有去关注的参数。因此随着速率的提高，地平面基本上也是差分线不可或缺的组成哈，不要轻易的尝试这种特殊设计。


问题来了
大家可以思考下，到底差分线在什么情况下会产生同模信号来干扰到别人呢？