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差分信号没搞明白，就不要说自己会做PCB设计！

差分信号没搞明白，就不要说自己会做PCB设计！

发布时间:2024-12-27 17:04:48

在 PCB 高速设计中，差分信号和普通的单端信号走线相比，差分信号具有 抗干扰能力强、能有效抑制EMI、时序定位精确 的优势。

一、什么是差分信号

从严格意义上来说，所有的电压信号都是“差分”的，一个电压总是相对另一个电压而言。大部分情况下，我们会把“地”作为电压基准点去测得另一个电压值，这种信号被称为单端信号，在PCB上的表现只有一根导线(Track)。

什么是差分信号?差分传输在两根线上都传输信号，这两个信号的 振幅相等、相位相差180度，极性相反 ；在这两根线上传输的信号就是差分信号，在PCB上的表现会有两根导线(Track)。

下面是形象的说法：

单端传输 是指用一根信号线和一根地线来传输信号，信号线上传输的信号就是单端信号。这样简单方便，但是抗干扰能力差。

差分传输 是指在两根线上都传输信号，这两个信号的大小相等、极性相反，这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。这样抗干扰能力强，但是电路比单端传输的复杂。

二、差分信号的优缺点

和普通的单端信号走线相比，差分信号的优点体现如下三个方面：

1.差分信号减小了潜在的EMI。使用差分方式传输，信号的电压峰峰值会被放大了一倍，但是单根线上的电流却保持不变。如果采用传统的单线传输方式，在驱动相同的信号时，更容易造成EMI问题。

2.差分信号的值很大程度上与“地”的精确值无关，能很好地抵抗电源的干扰。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与地的精确值无关，而在某一范围内，假如两条信号都收到同样的（同向、等幅度）的干扰信号，由于接收端是对接收的两条线信号进行减法处理，干扰信号会被基本抵消。即一个差分放大器的输入有效信号幅度只需要几毫伏，但是却对一个高达几伏特的共模信号无效果。

3.差分对内每根信号都有自己的返回路径，能够减轻信号跨分割带来的影响。单线跨分割对传输线的影响很大，差分线对跨分割不那么敏感，因为差分对的两根线可以相互作为返回路径。

三、差分信号布线要求

在PCB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。

1.等长：是指两条线的长度要尽量一样长，是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性，减少共模分量。

2.等宽、等距：等宽是指两条信号的走线宽度需要保持一致，等距是指两条线之间的间距要保持不变，保持平行。

3.差分线彼此靠近。靠越近，回路面积越小，走线下面感应电流的回路面积也越小，对EMI控制也好。

4.差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声。

提醒：在PCB布线规则中，根据 “关键信号线优先” 原则：电源、摸拟信号、高速信号、时钟信号、差分信号和同步信号等关键信号优先布线。

四、差分设计时需要注意

使用差分信号时，一定要注意一个问题： 共模电压范围。 即这两根线上的电压，相对于系统的地，不能太大。传输0.1V的信号没问题，但如果一根是1000.0V，另外一根是1000.1V，那就不行了。如何抑制共模电压呢？也挺简单的：将两根线都通过一个足够大的电阻，连接到系统的地上；这就像一根拴在风筝上的线，我在地上跑跑跳跳，不会影响风筝的高度，但是你永远逃不出我的视线。

还有一个问题： 单端转差分怎么转？ 常见的用仪表运放+普通运放搭建的单端转差分是个很好的例子。

五、差分设计中常见的几个误区

误区1：认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。

其实，在信号回流分析上，差分走线和单端走线的机理一样： 高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流 ；区别在于差分线除了对地耦合外，还存在相互耦合。 在PCB设计中，一般差分走线之间的相互耦合较小，只占10~20%，更多的是对地耦合，其主要回流路径还是存在于地平面。 当地平面发生不连续时，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路。尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加EMI，要尽量避免。有设计人员认为可以去掉差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的部分共模信号；从理论上看这种做法不可取，阻抗如何控制?不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成EMI辐射。

误区2：认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中，往往不能同时满足差分设计的要求。

由于管脚分布、过孔以及走线空间等因素存在，必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的，这样带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行。其实， 间距不等造成的影响是微乎其微的；相比较而言，线长不匹配对时序的影响要大得多。 从理论分析来看，间距不一致会导致差分阻抗发生变化，但差分对之间的相互耦合本身就不显著，阻抗变化范围是很小的，通常在10%以内，只相当于一个过孔造成的反射，对信号传输不会造成明显的影响。而线长一旦不匹配，除了时序上会发生偏移，还给差分信号中引入了共模的成分，降低信号的质量，增加了EMI。所以，PCB差分走线的设计中最重要的规则就是 匹配线长 ，其它规则都可以根据设计要求进行灵活处理。

误区3：认为差分走线一定要靠的很近。

让差分走线靠近无非是为了增强它们的耦合，既可以提高对噪声的免疫力，还能充分利用磁场的相反极性来抵消外界的电磁干扰。这种做法在大多数情况下是非常有利的，但不是绝对的。如果能保证让它们得到充分的屏蔽，不受外界干扰，那么也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制EMI的目的了。如何才能保证差分走线具有良好的隔离和屏蔽呢? 增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一； 一般线间距超过4倍线宽时，相互干扰就极其微弱了，基本可以忽略。 此外，通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用，这在高频的 (10G以上) IC封装PCB设计中经常采用，被称为CPW结构，可以保证严格的差分阻抗控制 (2Z0) 。差分走线也可以走在不同的信号层中，但一般不建议这种走法。此外，如果相邻两层耦合不够紧密的话，会降低差分走线抵抗噪声的能力，但如果能保持和周围走线适当的间距，串扰就不是问题。在一般频率 (GHz以下) ，EMI也不会是很严重的问题。实验表明，相距500mils的差分走线，在3米之外的辐射能量衰减已经达到60dB时，足以满足FCC的电磁辐射标准，设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。

误区4：差分曼切斯特编码并不是差分信号的一种。

差分曼切斯特编码指的是用在每一位开始时的电平跳变来表示逻辑状态“0”，不跳变来表示逻辑状态“1”。但每一位中间的跳变是用来做同步时钟，没有逻辑意义。

误区5：双绞线上面走的不一定是差分信号，单端信号在双绞线上的电磁辐射也比平行走线的辐射小。

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文章来源于:PCB电路板之家原文链接

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