差分線是如何去定義的呢

整個基礎(chǔ)知識體系中，差分線（對）是很難搞的部分，卻是最常用的部分。說到差分線基礎(chǔ)知識，里面的概念很多，記得剛接觸的時候，奇模&共模有時候會搞不清楚。話不多說，直接上圖：

1、概念

差分線從理論上說，可以是任意兩根傳輸線。

最初的時候，曾有疑惑：距離很遠(yuǎn)的兩根傳輸線呢？實際工作中，很多高速線都是差分線，更多的是利用其抗干擾的能力。既然講到抗干擾，那是不是盡量保證兩根線的周圍環(huán)境一致。

所以，差分線的定義：兩條存在耦合且平行等長的兩根傳輸線，用來傳輸相位差180度的信號。

2、差分阻抗

差分線本身沒有什么特別，決定它們特性的是這兩條傳輸線上的信號傳輸方式。差分線除了傳輸差分信號，還有共模信號，前一種是大小相等方向相反的驅(qū)動電壓，后一種是相等方向相同的驅(qū)動電壓。

為了方便理解，針對差分阻抗的特性，搭建相關(guān)鏈路：

Vdiff = V1–V2 Vdiff 表示差分線號

Vcomm= (V1+V2) Vcomm表示共模信號

V1表示線1相對于其返回路徑的信號電壓

V2表示線2相對于其返回路徑的信號電壓

從仿真結(jié)果看出：相同電平的幅值，差分線的峰峰值是單端線的兩倍。單端線的基準(zhǔn)是地平面，外界的干擾差異會很大；而差分線的基準(zhǔn)是彼此，對共模干擾有很好的抑制。

差分線最重要的電特性就是對差分信號的阻抗，稱為差分阻抗。

以Z=V/I來推算：

Z0單端信號線的特性阻抗

差分阻抗還可以看成兩條單端信號線等效阻抗的串聯(lián)：

Zdiff = Z0 +Z0 = 2 x Z0

Zdiff 表示兩條信號線之間的等效阻抗（即差分阻抗）

Z0 表示每條信號線與返回路徑之間的阻抗

上面計算方法可以得出差分阻抗，由差分阻抗引出兩種模態(tài)：

奇模阻抗

奇模阻抗與差分阻抗有直接的關(guān)系。差分阻抗是差分信號受到的阻抗，奇模阻抗是傳輸線處于奇模狀態(tài)時每條信號線的阻抗。

偶模阻抗

共模信號使差分對處于偶模狀態(tài)。當(dāng)傳輸線上傳播共模信號時，此時每條線的特性阻抗稱為偶模特性阻抗。

對于共模信號而言，阻抗是每條線特性阻抗的并聯(lián)。兩個偶模阻抗的并聯(lián)阻值：

Zcomm表示共模阻抗

Zeven表示當(dāng)差分對處于偶模狀態(tài)時每條線的特性阻抗

信令方案有多種，最常用的就是LVDS低壓差分信號。

需要注意的是：LVDS 信號不僅有差分信號還有共模信號，只不過默認(rèn)共模信號是沒有變化的直流。

除了常規(guī)的線寬線距，介質(zhì)厚度等因素對差分阻抗的影響。最近有寫阻焊相關(guān)的發(fā)明，發(fā)現(xiàn)隨著阻焊層厚度的增加，緊耦合的情況下，阻焊層對奇模阻抗影響比較大，差分阻抗偏離值高達(dá)10%。設(shè)計表面層信號線差分阻抗時要考慮阻焊層的原因，這也是為什么差分線建議走內(nèi)層的原因之一。

上面講的概念都是無耦合的情況，如果考慮耦合，就引入了共模干擾的問題。

3、耦合

寫到耦合的時候，想起之前有和同事聊過：關(guān)于差分線，因為相互耦合，一條線的返回路徑可不可以是另外一條線？

當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時候，無參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會提供主要的回流通路。這是沒有任何問題的。

其實上面說差分線的一條線的返回電流由另一條線傳輸，還有一個前提條件：當(dāng)信號線與返回路徑平面之間的距離大于等于兩條信號線距離（包含線寬）。

但是共模信號怎么辦？不給共模信號提供地阻抗回路，勢必會造成EMI 輻射，引入電磁干擾。相互作為回流路徑的做法弊大于利。

在實際工作中，大多數(shù)板級互連中，信號線與平面之間的耦合度遠(yuǎn)大于兩條信號線之間的耦合度，所以此時平面的返回電流十分重要。此時，第一條信號線的返回電流不能看成由第二條信號線運送。

線間距3倍線寬（3W）的情況，耦合很小，可以忽略?？紤]兩條線之間的耦合，當(dāng)線間距的減小，奇模阻抗減小，偶模阻抗增加，對應(yīng)的差分阻抗減小，共模阻抗增加。相對于3W的情況，差分阻抗減小了約12%。

遠(yuǎn)端串?dāng)_

如果差分對為同介質(zhì)的，比如帶狀線，兩種模態(tài)的傳播速度相同，差分對就不會出現(xiàn)遠(yuǎn)端噪聲。如果差分對為不同介質(zhì)的，比如微帶線，那么奇模的有效介電常數(shù)比偶模小，奇模有更快的傳播速度。差分信號分量比共模分量先到達(dá)末端，相互間造成遠(yuǎn)端噪聲。

緊耦合與松耦合

下圖為阻抗計算軟件算出差分阻抗為85 ?，線間距差別比較大：

一般松耦合經(jīng)驗值為線間距大于2倍的線寬

返回平面受損時，例如在雙絞線電纜、帶狀電纜、連接器和一些集成電路封裝中，使用緊耦合。緊耦合對減小串?dāng)_有很強的作用。

緊耦合情況下，差分阻抗和共模阻抗受耦合的影響依然很小。在最緊耦合下，差分阻抗僅減小了10%。

一般規(guī)則：高速率產(chǎn)品，損耗要求較嚴(yán)，應(yīng)當(dāng)使用松耦合的差分對。消費類產(chǎn)品，成本要求較嚴(yán)，應(yīng)使用緊耦合的差分對。

4、共模信號

我們主要用差分線傳輸差分信號，但在實際的鏈路中，任何不對稱因素（串?dāng)_、驅(qū)動器錯位、線長偏差及不對稱的負(fù)載等）都會使部分差分信號轉(zhuǎn)化為共模信號。

共模信號的產(chǎn)生及改變，危害就是會引起誤碼，引入過量電磁干擾。消費類的產(chǎn)品，一般都進(jìn)行相關(guān)電磁輻射測試，這就需要我們在實際工作中進(jìn)行管控。如何使共模信號的影響降到最?。?/p>

1.鏈路做到盡量對稱。過孔轉(zhuǎn)換&等長匹配&出Pin區(qū)域等。

2.增加共模信號扼流器CMC(Common mode Choke)，起到EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

實際應(yīng)用

講到電磁干擾，還有一種情況需要說明：雙絞線是否使用屏蔽？

屏蔽對差分阻抗影響其實不大，屏蔽的重要作用在于為共模電流提供一個返回路徑，從而減小它的輻射效應(yīng)。



審核編輯：劉清