PCB差分信號(hào)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的誤區(qū)詳解

差分信號(hào)(DifferenTIal Signal)在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么是什么令它這么倍受青睞呢?在PCB設(shè)計(jì)中又如何能保證其良好的性能呢?帶著這兩個(gè)問(wèn)題，本文將進(jìn)行下一部分的討論。

何為差分信號(hào)?

通俗地說(shuō)，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。

差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以完全被抵消。

2.能有效抑制 EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

3.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的 LVDS(low voltage differenTIal signaling)就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

對(duì)于PCB工程師來(lái)說(shuō)，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢(shì)。也許只要是接觸過(guò)Layout的人都會(huì)了解差分走線的一般要求，那就是“等長(zhǎng)、等距”。等長(zhǎng)是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)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。“盡量靠近原則”有時(shí)候也是差分走線的要求之一。但這些規(guī)則都不是用來(lái)生搬硬套，所以不少工程師似乎還不了解高速差分信號(hào)傳輸?shù)谋举|(zhì)。

下面重點(diǎn)討論一下PCB差分信號(hào)設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)。

誤區(qū)一：認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)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(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。差分電路對(duì)于類(lèi)似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)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(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流。最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，哪一種就成為主要的回流通路。

在PCB電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10～20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒(méi)有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加 EMI，因此要盡量避免。也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號(hào)，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制?不給共模信號(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成EMI輻射，這種做法弊大于利。

誤區(qū)二： 認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)更重要。在實(shí)際的 PCB 布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)的要求。由于管腳分布，過(guò)孔，以及走線空間等因素存在，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長(zhǎng)匹配的目的，但帶來(lái)的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無(wú)法平行。PCB差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長(zhǎng)，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。

誤區(qū)三：認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。實(shí)際上，讓差分走線靠近無(wú)非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。雖說(shuō)這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對(duì)的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再通過(guò)彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制 EMI 的目的了。

那么如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢?

增大與其它信號(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過(guò)4倍線寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過(guò)地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的(10G以上)IC封裝PCB設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)被采用，它被稱為 CPW 結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制(2Z0)。

差分走線也可以走在不同的信號(hào)層中，但一般不建議這種走法，因?yàn)椴煌膶赢a(chǎn)生的諸如阻抗、過(guò)孔的差別會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч?，引入共模噪聲?/p>

此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會(huì)降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周?chē)呔€適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是問(wèn)題。在一般頻率(GHz 以下)，EMI也不會(huì)是很?chē)?yán)重的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，相距500Mils的差分走線，在3米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達(dá)到 60dB時(shí)，足以滿足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過(guò)分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問(wèn)題。