差分信號走線原則

1、設計規(guī)則設計規(guī)則1我們處理差分信號的第一個規(guī)則是：走線必須等長。有人激烈地反對這條規(guī)則。通常他們的爭論的基礎包括了信號時序。他們詳盡地指出許多差分電路可以容忍差分信號兩個部分相當?shù)臅r序偏差而仍然能夠可靠地進行翻轉。根據(jù)使用的不同的邏輯門系列，可以容忍500mil的走線長度偏差。并且這些人們能夠將這些情況用器件規(guī)范和信號時序圖非常詳盡地描繪出來。問題是，他們沒有抓住要點！差分走線必須等長的原因與信號時序幾乎沒有任何關系。與之相關的僅僅是假

2、定差分信號是大小相等且極性相反的以及如果這個假設不成立將會發(fā)生什么。將會發(fā)生的是：不受控的地電流開始流動，最好情況是良性的，最壞情況將導致嚴重的共模EMI問題。因此，如果你依賴這樣的假定，即：差分信號是大小相等且極性相反，并且因此沒有通過地的電流，那么這個假定的一個必要推論就是差分信號對的長度必須相等。差分信號與環(huán)路面積：如果我們的差分電路處理的信號有著較慢的上升時間，高速設計規(guī)則不是問題。但是，假設我們正在處理的信號有著有較快的上升時

3、間，什么樣的額外的問題開始在差分線上發(fā)生呢？考慮一個設計，一對差分線從驅動器到接收器，跨越一個平面。同時假設走線長度完全相等，信號嚴格大小相等且極性相反。因此，沒有通過地的返回電流。但是，盡管如此，平面層上存在一個感應電流！任何高速信號都能夠（并且一定會）在相鄰電路（或者平面）產生一個耦合信號。這種機制與串擾的機制完全相同。這是由電磁耦合，互感耦合與互容耦合的綜合效果，引起的。因此，如同單端信號的返回電流傾向于在直接位于走線下方的平面上

4、傳播，差分線也會在其下方的平面上產生一個感應電流。但這不是返回電流。所有的返回電流已經抵消了。因此，這純粹是平面上的耦合噪聲。問題是，如果電流必須在一個環(huán)路中流動，剩下來的電流到哪里去了呢？記住，我們有兩根走線，其信號大小相等極性相反。其中一根走線在平面一個方向上耦合了一個信號，另一根在平面另一個方向上耦合了一個信號。平面上這兩個耦合電流大小相等（假設其它方面設計得很好）。因此電流完全在差分走線下方的一個環(huán)路中流動（圖3）。它們看上去就

5、像是渦流。耦合電流在其中流動的環(huán)路由（a）差分線自身和（b）走線在每個端點之間的間隔來定義。設計規(guī)則設計規(guī)則2現(xiàn)在EMI與環(huán)路面積已是廣為人知了3。因此如果我們想控制EMI，就需要將環(huán)路面積最小化。并且做到這一點的方法引出了我們的第二條設計規(guī)則：將差分線彼此靠近布線。有人反對這條規(guī)則，事實上這條規(guī)則在上升時間較慢并且EMI不是問題時并不是必須的。但是在高速環(huán)境中，差分線彼此靠得越近布線，走線下方所感應的電流的環(huán)路就越小，EMI也可以得到

6、更好的控制。值得一提的是一些工程師要求設計人員去掉差分線下方的平面。原因之一是減小或消除走線下方的感應電流環(huán)路。另外一個原因是防止平面上已有的噪聲耦合到（推測如此）走線上的低壓信號4。還有一個將差分線彼此靠近布線的理由。差分接收器設計為對輸入信號的差敏感而對輸入的共模偏移不敏感。也就是說即使（）輸入相對（）輸入僅有輕微的偏移，接收器也會檢測到。但是如果（）和（）輸入一起偏移（在同樣的方向），相對而言接收器帶著這兩個問題，我們進行下一部分

7、的討論。何為差分信號？通俗地說，就是驅動端發(fā)送兩個等值、反相的信號，接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：?a.抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。?b.能有效抑制EMI，同樣的道理

8、，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。?c.時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS（lowvoltagedifferentialsignaling）就是指這種小振幅差分信號技術。對于PCB工程師來說，最關注的還是如何確

9、保在實際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢。也許只要是接觸過Layout的人都會了解差分走線的一般要求，那就是“等長、等距”。等長是為了保證兩個差分信號時刻保持相反極性，減少共模分量；等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射?！氨M量靠近原則”有時候也是差分走線的要求之一。但所有這些規(guī)則都不是用來生搬硬套的，不少工程師似乎還不了解高速差分信號傳輸?shù)谋举|。下面重點討論一下PCB差分信號設計中幾個常見的誤區(qū)。誤區(qū)一：認為差分信號不需要地

10、平面作為回流路徑，或者認為差分走線彼此為對方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對高速信號傳輸?shù)臋C理認識還不夠深入。差分電路對于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號返回路徑，其實在信號回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機理是一致的，即高頻信號總是沿著電感最小的回路進行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦