深入分析差分信號回流路徑

一、單端信號與差分信號：

1.1、單端信號與差分信號：

單端信號是使用一根信號線傳輸?shù)模瑓⒖键c選擇地平面的信號。也就是說，單端信號是在一根導線上傳輸?shù)呐c地平面之間的電位差。這就要求信號從源端傳遞到接收端，源端與接收端的參考地電位要基本相同。

差分信號是使用兩根線傳輸?shù)男盘?，一根線傳輸正極性信號，一根線傳輸負極性信號，在接收端通過比較正負信號的差值，來判斷識別信號。這樣做的好處是，即使信號源端與接收源參考地電位不相同，接收端也能夠正確的識別信號。

1.2、傳輸上的差別：

單端信號是以參考地平面為基準的，當參考地平面流過直流信號時，從源端到接收端的參考地平面之間幾乎沒有電位差；當流過交流信號、大電流信號，尤其是高頻信號時，從源端到接收端參考地平面之間因為寄生電感的存在，就會產生電位差，電位差的大小受信號工作頻率高低，上升沿/下降沿斜率、工作電流大小、參考地平面寄生電感大小影響。

雖然差分信號兩根信號都是參考地平面的，地平面浮動時，兩根信號同時浮動（理想情況下），兩根信號之間的差值幾乎不變，而接收端是識別兩個信號之間的差值。故差分信號傳輸對參考地平面的要求相比于單端信號要低很多。

信號在傳輸過程中，穿過某個信號的磁場范圍內時就會在上面產生感應電動勢，對于單端信號產生的感應電動勢直接疊加到信號上，而對于差分信號而言，因為兩根線產生的感應電壓相同，兩者差值為零，不會對有用信號產生任何影響。這是為什么差分信號比單端信號抗干擾能力更強的秘密所在。 ? ?

二、差分信號的優(yōu)缺點：

2.1、差分信號的優(yōu)缺點：

差分信號的優(yōu)點是：差分信號接收端是通過識別兩個信號之間的差值來做信號判斷，所以基準地電位的精確性對差分信號影響較小。差分信號第二個好處是抗干擾能力較強，

本身的EMI輻射也較小。差分信號第三個好處是在一個單電源系統(tǒng)里，能夠從容精確地

處理〝雙極〞信號。

2.2、差分信號的缺點：

差分信號要求兩個信號振幅相等，相位相差180度，極性相反，兩根線等長。接收端是比較兩個信號差值，所以相位、時延對差分信號就顯得非常重要了，而單端信號就不存在此問題。

三、差分信號設計規(guī)則：

3.1、緊耦原則：

當緊密耦合時，由于兩根線電流大小相等，極性相反；對應產生的磁場大小也相等，極性也同樣相反，彼此互相抵消。緊密耦合另一個好處是，感應在兩根線的外部噪聲電壓均以等量的共模噪聲形式出現(xiàn)，在接收端只對差模信號敏感，而對共模信號不敏感，因此接收端抑制了共模噪聲。 ? ?

3.2、等長等距原則：

差分信號對應保持電氣長度相等，兩個線跡間距在整個線跡長度上保持一致。間距的變化會引起磁場耦合的不平衡，從而降低磁場消除的效果。除了更大的EMI外，布線間距的變化也會引起信號阻抗變化，從而造成阻抗的不連續(xù)，造成破壞信號完整性的信號反射。

相同的電氣長度布線，可以確保信號在相同的時間到達接收端。對于相同長度的差分信號而言，兩個信號相等且極性相反，因此它們的和則必為零。如果線跡電氣長度不同，那么較短線跡上的信號就會比較長線跡上的信號較早地改變狀態(tài)。嚴重的情況下，兩個線跡在某點則會出現(xiàn)驅動電流相同的情況。 當兩個信號相加時，該總信號在過渡從零電平轉移。高頻條件下，這對差分信號通過參考地平面回流到源端，形成環(huán)路天線向外輻射。

3.3、阻抗受控原則：

差分信號阻抗由信號對線跡的物理幾何、它們同鄰近參考層的關系，以及PCB電介質決定，這些幾何形狀必須在整個線跡長度保持一致。非連續(xù)性就是信號路徑中差分信號的阻抗偏離于其標準值（100±15%），非連續(xù)性可以引起由阻抗不匹配帶來的信號反射，進而破壞信號完整性。 ? ?

3.4、回流路徑完整原則：

對于高頻電路，在相鄰層提供相對完整的參考平面，能夠為返回電流提供最小的阻抗路徑，使信號產生的磁場與返回電流產生的磁場互相抵消，使EMI最小化。跨分隔會導致信號回流路徑面積失控，信號產生的磁場與返回電流產生的磁場不能有效抵消，EMI輻射

較差。由于差分信號對本身的差模環(huán)路不同，感應的噪聲大小也不同，共模噪聲在接收端不能有效消除，從而導致信號本身性能指標變差。

四、差分信號回流路徑深入分析：

4.1、差分信號回流路徑分析：

差分信號回流路徑錯誤認知：

大部分電子工程師認為差分信號抗干擾能力強、空間輻射小的主要原因，是因為差分信號從正極信號經傳輸線到負載端，再經負極信號返回到源端。差分信號電流在一個閉合的環(huán)路內流動，正負信號幅度相等，方向相反，產生的磁場彼此互相抵消，差分信號返回電流沒有經過參考地平面流回源端。 ? ?

理想狀態(tài)下差分信號返回路徑分析：

實際上差分信號電流返回路徑同單端信號相同，即D＋信號電流從源端經傳輸線到負載端，再經參考平面返回到源端；而D-信號電流從負載端經傳輸線到達源端，再經參考平面返回到負載端。

理想狀態(tài)情況下，由于差分信號的電流大小相等，極性相反，產生的磁場互相抵消；返回電流大小相等，極性相反，產生的磁場也互相抵消，故差分信號空間輻射極小。

當高頻狀態(tài)下源端與接收端參考地電位不相等時，接收端正負差分信號相對于參考地平面電位同步抬升或者跌落，而兩者之間差值保持不變，對于接收端信號識別無影響；同理當差分信號處于磁場中時，兩根線產生的感應電壓大小相等，差分信號之間的差值仍然保持不變，同樣對信號的傳輸結果無影響，故差分信號抗干擾能力較強。

4.2、差分信號返回路徑的兩種設計形式

多層板差分信號回流路徑設計：

多層板設計時差分信號通常會選擇緊鄰的完整地（電源）平面作為電流返回路徑，使其環(huán)路面積最小，信號電流與返回電流產生的磁場互相抵消，空間輻射最小。 ? ??

雙層板差分信號回流路徑設計：

雙層板由于PCB布線密度的問題，幾乎很難完全做到單層布線，另一層做完整參考平面的設計方式。通常會選擇差分信號兩側包地作為差分信號的電流返回路徑，信號電流與返回電流產生的磁場大部分互相抵消，空間輻射也較小。

頂層布線，底層做參考平面的方式：

頂層布線，底層做參考平面的布線方式，乍一看同多層板設計方式相同，實際上卻存在很大差異。具體設計要求是：差分信號從源端到接收端全部在頂層完成PCB布線，而整個差分信號頂層布線軌跡對應的底層要保持參考地平面相對完整，為差分信號提供低阻抗的回流路徑。

設計難點：

ü對于雙層板要保持差分信號不換層是可以做到的，但是要保持整個差分信號軌跡對應的底層參考地平面完整就十分困難，尤其還需要在保持產品成本優(yōu)勢、通用性的條件下。 ? ?

ü對于雙層板要使差分信號選擇底層地平面作回流路徑，則必須保證差分信號頂層布線與兩側包地距離小于頂?shù)讓又g的板厚，否則差分信號回流路徑就有可能選擇兩側包地。

ü差分信號底層參考地保持完整的情況下，還需要保證底層參考地平面與源端、接收端之間參考地連接完整及低阻抗，尤其對于BGA封裝的器件設計挑戰(zhàn)性更大。

2頂?shù)讓咏徊娌季€，兩側包地線做參考平面的方式：

由于成本與性能之間的平衡關系，兩層板通常會采用頂?shù)讓咏徊娌季€，兩側包地線做參考平面的方式。這種設計方式往往會帶來參考地平面換層，甚至出現(xiàn)參考地平面與差分信號同時換層的情況。此種設計方式需要重點管控參考地平面的完整性，兩側包地線與底層參考地平面之間的等電位問題，跨分隔的處理也是難點。

設計難點：

ü差分信號線兩側包地線，從源端到接收端保持完整，使返回路徑產生的磁場大部分能夠互相抵消，使輻射最小化。

ü差分信號換層時，兩側包地線也存在換層的情況，差分信號換層過孔兩側要伴隨地線換層過孔，使信號回流路徑同步換層，使輻射最小化。

ü差分信號本身不需要換層，而由于結構布局布線、芯片PIN排布原因，兩側包地線需要換層，換層地線需要選擇最小面積路徑回流到主芯片。

ü差分信號兩側包地線與系統(tǒng)參考地平面之間，需要通過地過孔連接，形成等電位體，地線過孔的排布、個數(shù)需要引起特別重視。 ? ?

ü差分信號對本身的長度差，兩側包地線的長度差是磁場互相抵消的重要因素，應盡可能保持兩者之間最小的長度差。

審核編輯：黃飛

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