差分(fēn)信号

差分(fēn)信号（Differential Signal）在高(gāo)速δ​♠$電(diàn)路(lù)設計(jì)中的(deγ€)應用(yòng)越來(lái)越廣泛，電(diàn)路(lù)↔≈中關鍵的(de)信号往往都(dōu)要(yào)采用(yòng)差分(fēn)結構設計(jì)，↓ ≠ 什(shén)麽令它這(zhè)麽倍受青睐φ₽σ呢(ne)？在 PCB 設計(jì)中又(yò÷πδu)如(rú)何能(néng)保證其良好(hǎo)的(de)性≤φ能(néng)呢(ne)？

帶著(zhe)這(zhè)兩個(gè)問(wèn)題，我們進行(xí​ε™ng)下(xià)一(yī)部分(fēn)的(de)討(tǎo)論。 何為(wèi©↑)差分(fēn)信号？通(tōng)俗地(dì)說(sh♠&‌✔uō)，就(jiù)是(shì)驅動端發送兩個(gè)等值©™、反相(xiàng)的(de)信号，接收端通(tōng)過比較這(zhè)兩個(gè)電☆€(diàn)壓的(de)差值來(lái)判斷邏輯狀态"0"還(háδ↑₽♥i)是(shì)"1"。而承載差分(fēn)信号的(de)那(nà)一(yī)對(duì)走線就δσ(jiù)稱為(wèi)差分(fēn)走線。

差分(fēn)信号和(hé)普通(tōng)的(de)單端信号走₩₽¥線相(xiàng)比，明(míng)顯的(de)優勢體(tǐ)現(xi¥ ®Ωàn)在以下(xià)三個(gè)方面：

a.抗幹擾能(néng)力強，因為(wèi)兩根差分(fēn)走線之間♠±(jiān)的(de)耦合很(hěn)好(hǎo)，當外₩<≈∏(wài)界存在噪聲幹擾時(shí)，幾乎是(s♣£©★hì)同時(shí)被耦合到(dào)兩條線上♥ ® (shàng)，而接收端關心的(de)隻是(shì)兩信号的(de)差值，所以外(wài)♠↕γ界的(de)共模噪聲可(kě)以被完全抵消。

b.能(néng)有(yǒu)效抑制(zhβ ←→ì) EMI，同樣的(de)道(dào)理(lǐ)，÷∞↕由于兩根信号的(de)極性相(xiàng)反，他(tā)們對π$Ω(duì)外(wài)輻射的(de)電(diàn)磁場(c×♦₽hǎng)可(kě)以相(xiàng)互抵消，耦合的(de)越緊密，洩放(fàng)到(≥§dào)外(wài)界的(de)電(diàn)磁能(néng)量越少(shǎo¥€)。

c.時(shí)序定位精确，由于差分(fēn)信号的(de)開(k λ♠āi)關變化(huà)是(shì)位于兩個(gè)信号的(de)交點，而不(b♠ ¥¶ù)像普通(tōng)單端信号依靠高(gāo)低(dī)兩個(gè)阈值電(d∑♦→iàn)壓判斷，因而受工(gōng)藝，溫度的(de)影(yǐng)響小(xiǎo)，能(✘&néng)降低(dī)時(shí)序上(sh δ àng)的(de)誤差，同時(shí)也(yě)更适合•'♣于低(dī)幅度信号的(de)電(diàn)路(lù)。目前流行(xín™☆>©g)的(de) LVDS（low voltagΩ↓♥e differential signaling）就(jiù)®σε是(shì)指這(zhè)種小(xiǎo)振幅差分(fēn)信∞≤λ号技(jì)術(shù)。

對(duì)于PCB工(gōng)程師(shī)來(lái)說(÷§shuō)，關注的(de)還(hái)是(shì)如(rú)←↕>何确保在實際走線中能(néng)完全發揮差分(fēn)走線的(de)這(zhè)​π‌≥些(xiē)優勢。也(yě)許隻要(yào)是(shì)接觸過Layo✘≤‍ut的(de)人(rén)都(dōu)會(huì)了(le)解差分<β(fēn)走線的(de)一(yī)般要(☆₽yào)求，那(nà)就(jiù)是(shì)"等長(cháng)、等距"。等長(cháng↑∞¶ε)是(shì)為(wèi)了(le)保證兩個(gè)差分(fēn÷★γ←)信号時(shí)刻保持相(xiàng)反極性，減少(shǎo)共模分(fēn)量；等距則主要(y→‍ào)是(shì)為(wèi)了(le)保證兩者差分(fēn)阻抗一($≥yī)緻，減少(shǎo)反射。"盡量靠近(jìn)原§↓&≤則"有(yǒu)時(shí)候也(yě)是(shì)差分(‌γfēn)走線的(de)要(yào)求之一(yī∑•)。但(dàn)所有(yǒu)這(zhè)些(xiē)規則都(dōu)不(bù)是(sh"$ì)用(yòng)來(lái)生(shēng✘γ)搬硬套的(de)，不(bù)少(shǎo¶★‌)工(gōng)程師(shī)似乎還(hái)不(bù)γ ☆了(le)解高(gāo)速差分(fēn)信号傳輸的(de)本質。下(xià)面重點討(t•♦πǎo)論一(yī)下(xià)PCB差分(fēn)信号設計(jì)中幾個(gè)常見(jiàn)的↓ו(de)誤區(qū)。

誤區(qū)一(yī)：認為(wèi)差分(fēn)信号不(bù)需要(yào)≈>π¥地(dì)平面作(zuò)為(wèi)回流路(lù)徑，或者認為(wè ♦i)差分(fēn)走線彼此為(wèi)對(duì)方提供≈σ≥回流途徑。造成這(zhè)種誤區(qū)的(de)原因是(shì)被 &表面現(xiàn)象迷惑，或者對(duì)高(gāo)速信号傳輸的(de)機≥ ±(jī)理(lǐ)認識還(hái)不(bù)夠深入σ‍'ε。差分(fēn)電(diàn)路(lù)對(duì)于類似地(dìα €)彈以及其它可(kě)能(néng)存在于電(diàn)源和(hé)地(dì)平面上(s✔≠♣'hàng)的(de)噪音(yīn)信号是(shì)不(bù)敏感的(d☆∞e)。地(dì)平面的(de)部分(fēn)回流抵消并不(bù)代表差分(fēn)電¶‍≠×(diàn)路(lù)就(jiù)不(bù)以參考平面作(zuò∑♠ )為(wèi)信号返回路(lù)徑，其實在信号回流分(fēn)析上(shàΩπng)，差分(fēn)走線和(hé)普通(tōng)的(de)單端走線§₽的(de)機(jī)理(lǐ)是(shì)一(yī)緻的(de)，即高(☆‍≈αgāo)頻(pín)信号總是(shì)沿著(zhe)電(diàn)感小(xiǎo)的(dγ"e)回路(lù)進行(xíng)回流，大(dà)的(de)區(qū)别≈‍在于差分(fēn)線除了(le)有(yǒu)對(duì)地(dì)的(de)耦合之外(wài€↓&)，還(hái)存在相(xiàng)互之間(jiān)的(de)耦合，哪一<¶(yī)種耦合強，哪一(yī)種就(jiù)成為§ (wèi)主要(yào)的(de)回流通(tōng)路(lù).在PCB電(↕±diàn)路(lù)設計(jì)中，一(yī)般差分(fēn)走線之間(jiān)的(de←₹✔)耦合較小(xiǎo)，往往隻占10～20%的(de)耦合度，更多(duō)的(de)還↔∑↓(hái)是(shì)對(duì)地(dì)的(de₹>✘↕)耦合，所以差分(fēn)走線的(de)主要(yào)回流±≠路(lù)徑還(hái)是(shì)存在于地(dì)平面。當地(dì)平面發生(shēng∞®)不(bù)連續的(de)時(shí)候，無參考平面的(de)區(qūπ♥¥)域，差分(fēn)走線之間(jiān)的(de)耦合才會(huì >)提供主要(yào)的(de)回流通(tōng)路(lù)，盡管參考平面的(↕★✘<de)不(bù)連續對(duì)差分(fēn)走線的(de)影(yǐng)響♦±☆'沒有(yǒu)對(duì)普通(tōng)的(de)單端走©₽×♠線來(lái)的(de)嚴重，但(dàn)還(hái)是(shì ∏←)會(huì)降低(dī)差分(fēn)信号的(de)質量，增加 EMI，要(yào)盡Ω¥<量避免。也(yě)有(yǒu)些(xiē)設計(jì)人(rén®±)員(yuán)認為(wèi)，可(kěδ£ )以去(qù)掉差分(fēn)走線下(xià)方的(de)參考平面，以抑制(zhì)差§σ∞分(fēn)傳輸中的(de)部分(fēn)共模信号，但(dàn)從(cóng)理(lǐ)論上↑< γ(shàng)看(kàn)這(zhè)種做(zuò)法是(shì)不(bù)可(k✘≥λě)取的(de)，阻抗如(rú)何控制(zhì)？不(bù)給共模信号提供地>©✔₩(dì)阻抗回路(lù)，勢必會(huì)∏≈↔€造成EMI輻射，這(zhè)種做(zuò)法弊大(dà)于利。

誤區(qū)二：認為(wèi)保持等間(<γ ↔jiān)距比匹配線長(cháng)更重要(yào)。在實際的(de)δ↔ PCB 布線中，往往不(bù)能(néng)同時(shí)滿足差分(fēn)設計•÷↓←(jì)的(de)要(yào)求。由于管腳分(fēn)布，₽∏↓₩過孔，以及走線空(kōng)間(jiān)等因素存在，必須通(tōng)過适當的(de)​€₹£繞線才能(néng)達到(dào)線長(cháng)匹配的(de)目" 的(de)，但(dàn)帶來(lái)的(de)結果必然是(shì)♣≈差分(fēn)對(duì)的(de)部分(fēn)區(qū)域無法平行(xíng)£ ♦≈。PCB差分(fēn)走線的(de)設計(jì)中重要(yào)的(de)規則就(jiù)是€‌(shì)匹配線長(cháng)，其它的(de)規則都(dōu)可(kě)以根據設₩'‍↑計(jì)要(yào)求和(hé)實際應用(yòng)φ↔✘$進行(xíng)靈活處理(lǐ)。

誤區(qū)三：認為(wèi)差分(fēn)走線一(yī)定要(yào)靠的(de)很(h¶πěn)近(jìn)。讓差分(fēn)走線靠近(jìn)無非是(shì)≠€>為(wèi)了(le)增強他(tā)們的(de)耦合，既可(kě)以提✘€高(gāo)對(duì)噪聲的(de)免疫力，還(hái)能(néng∏§)充分(fēn)利用(yòng)磁場(chǎng)的(de)相(xià₹♣→ng)反極性來(lái)抵消對(duì)外(wài)界的(de)電₹♥₽♥(diàn)磁幹擾。雖說(shuō)這(zhè)種做(zuò)法在大(dà)多(d‌→uō)數(shù)情況下(xià)是(shì)非常有(yǒu)≠♠σ利的(de)，但(dàn)不(bù)是(shì)的(de)，如(rú)果能(né∑φ♥ng)保證讓它們得(de)到(dào)充分(fēn)的(de)屏蔽，不(bù)受  ♠外(wài)界幹擾，那(nà)麽我們也(yě)•α就(jiù)不(bù)需要(yào)再讓通(tō♠≈ng)過彼此的(de)強耦合達到(dào)抗幹擾和(h ±∞ é)抑制(zhì) EMI 的(de)目的(de)了(le)。如(rúγ ≥)何才能(néng)保證差分(fēn)走線具有(yǒu)良好(hǎo< δ×)的(de)隔離(lí)和(hé)屏蔽呢(ne)≥♦？增大(dà)與其它信号走線的(de)間(jiān)距是(shì)基本的(de)途徑之一(yī)γ ，電(diàn)磁場(chǎng)能(n☆≥éng)量是(shì)随著(zhe)距離(lí)呈平方關系遞減的(de)，£×一(yī)般線間(jiān)距超過4倍線©↑寬時(shí)，它們之間(jiān)的(de)幹擾就(j£€£☆iù)極其微(wēi)弱了(le)，基本可(kě)以↕™©λ忽略。此外(wài)，通(tōng)過地(dì)平面的(de)隔♦•離(lí)也(yě)可(kě)以起到(dào)很(hěn)好(h$σ÷ǎo)的(de)屏蔽作(zuò)用(yòng)，這(✘∏'zhè)種結構在高(gāo)頻(pín)的(de¶>)（10G以上(shàng)）IC封裝PCB設計(jì)中經常會(huì)用(yòng§™•¥)采用(yòng)，被稱為(wèi) CPW 結構，可(kě)以保證嚴格的(de)↑<差分(fēn)阻抗控制(zhì)（2Z0）。

差分(fēn)走線也(yě)可(kě)★ ™以走在不(bù)同的(de)信号層中，但(dৠ>n)一(yī)般不(bù)建議(yì)這(zhè)種走法，因為(wèi‍¶>‌)不(bù)同的(de)層産生(shēng)的(de)諸如(rú)阻‍λ§∞抗、過孔的(de)差别會(huì)破壞差模傳輸的(de)效果，引入共模噪聲。此​↓外(wài)，如(rú)果相(xiàng)鄰兩層耦合不(b↓÷ù)夠緊密的(de)話(huà)，會(huì)降低(‌&×βdī)差分(fēn)走線抵抗噪聲的(de)能(néng)力，但(dàn)如(×♥π☆rú)果能(néng)保持和(hé)周圍走線适當的(de)間(jiān)距，串擾就(jiù)不(‍☆bù)是(shì)個(gè)問(wèn)題。在一(yī)般頻(pín)率（GHz 以下(xi§> ÷à)），EMI也(yě)不(bù)會(huì)是(shì)很↔÷(hěn)嚴重的(de)問(wèn)題，實驗表明(míng)，相(xiàng)距500Mi♠≠πls的(de)差分(fēn)走線，在3米之外(wài)的βσ↑(de)輻射能(néng)量衰減已經達到(dào) 60dB，足以滿足FCCβ$的(de)電(diàn)磁輻射标準，所以設計(jì)者根本不(bù)用(yòng‍‌♦ )過分(fēn)擔心差分(fēn)線耦合不(bù)夠而造成電(diàn)磁>¥ε不(bù)兼容問(wèn)題。