在PCB板中進(jìn)行差分信號(hào)線布線的優(yōu)勢(shì)分析

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)，什么另它這么倍受青睞呢？接下來(lái)本文對(duì)其在電路板中體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行討論。

布線非常靠近的差分信號(hào)對(duì)相互之間也會(huì)互相緊密耦合，這種互相之間的耦合會(huì)減小EMI發(fā)射，所謂EMI即是Electro Magnetic Interference的縮寫(xiě)，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。但是差分信號(hào)線的主要缺點(diǎn)是增加了PCB的面積，這是本文將討論的另一個(gè)問(wèn)題——介紹電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中采用差分信號(hào)線布線的布線策略。

眾所周知，信號(hào)存在沿信號(hào)線或者PCB線下面?zhèn)鬏數(shù)奶匦?，即便我們可能并不熟悉單端模式布線策略，單端這個(gè)術(shù)語(yǔ)將信號(hào)的這種傳輸特性與差模和共模種信號(hào)傳輸方式區(qū)別開(kāi)來(lái)，后面這兩種信號(hào)傳輸方式通常更為復(fù)雜。（順便介紹單端這個(gè)術(shù)語(yǔ)，從嚴(yán)格意義上來(lái)講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，“系統(tǒng)地”被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)“地”當(dāng)作電壓測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。）

差分和共模方式

差模信號(hào)通過(guò)一對(duì)信號(hào)線來(lái)傳輸。一個(gè)信號(hào)線上傳輸我們通常所理解的信號(hào)；另一個(gè)信號(hào)線上則傳輸一個(gè)等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號(hào)。然后接收端通過(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”。差分和單端模式最初出現(xiàn)時(shí)差異不大，因?yàn)樗械男盘?hào)都存在回路。

單端模式的信號(hào)通常經(jīng)由一個(gè)零電壓的電路(或者稱為地)來(lái)返回。差分信號(hào)中的每一個(gè)信號(hào)都要通過(guò)地電路來(lái)返回。由于每一個(gè)信號(hào)對(duì)實(shí)際上是等值而反向的，所以返回電路就簡(jiǎn)單地互相抵消了，因此在零電壓或者是地電路上就不會(huì)出現(xiàn)差分信號(hào)返回的成分。

共模方式是指信號(hào)出現(xiàn)在一個(gè)(差分)信號(hào)線對(duì)的兩個(gè)信號(hào)線上，或者是同時(shí)出現(xiàn)在單端信號(hào)線和地上。對(duì)這個(gè)概念的理解并不直觀，因?yàn)楹茈y想象如何產(chǎn)生這樣的信號(hào)。這主要是因?yàn)橥ǔＮ覀儾⒉簧晒材Ｐ盘?hào)的緣故。共模信號(hào)絕大多數(shù)都是根據(jù)假想情況在電路中產(chǎn)生或者由鄰近的或外界的信號(hào)源耦合進(jìn)來(lái)的噪聲信號(hào)。共模信號(hào)幾乎總是“有害的”，許多設(shè)計(jì)規(guī)則就是專(zhuān)為預(yù)防共模信號(hào)出現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。

差分信號(hào)線的布線

一般來(lái)說(shuō)(當(dāng)然也有一些例外)差分信號(hào)也是高速信號(hào)，所以高速設(shè)計(jì)規(guī)則通常也都適用于差分信號(hào)的布線，特別是設(shè)計(jì)傳輸線1這樣的信號(hào)線時(shí)更是如此。這就意味著我們必須非常謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)信號(hào)線的布線，以確保信號(hào)線的特征阻抗沿信號(hào)線各處連續(xù)并且保持一個(gè)常數(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)。在差分線對(duì)的布局布線過(guò)程中，我們希望差分線對(duì)中的兩個(gè)PCB線完全一致，以保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)刻保持相反極性，減少共模分量及反射。這就意味著，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡最大的努力來(lái)確保差分線對(duì)中的PCB線具有完全一樣的阻抗并且布線的長(zhǎng)度也完全一致。差分PCB線通?？偸浅蓪?duì)布線，而且它們之間的距離沿線對(duì)的方向在任意位置都保持為一個(gè)常數(shù)不變。通常情況下，差分線對(duì)的布局布線總是盡可能地靠近。

差分信號(hào)的優(yōu)勢(shì)

單端信號(hào)通常總是參照某種“參考”電平。這種“參考”電平可能是一個(gè)正值電壓也可能是地電壓、一個(gè)器件的閾值電壓、或者是其它什么地方的另外一個(gè)信號(hào)。而另一方面差分信號(hào)則總是參照該差分線對(duì)中的另一方。也就是說(shuō)，如果一個(gè)信號(hào)線(+信號(hào))上的電壓高于另一個(gè)信號(hào)線(-信號(hào))上的電壓，那么我們就可以得到一種邏輯狀態(tài)；而如果前者低于后者那么我們就可以得到另外的一種邏輯狀態(tài)，參見(jiàn)圖1。

與單端信號(hào)相比，差分信號(hào)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

時(shí)序得到精確的定義，這是由于控制信號(hào)線對(duì)的交叉點(diǎn)要比控制信號(hào)相對(duì)于一個(gè)參考電平的絕對(duì)電壓值來(lái)得簡(jiǎn)單。這也是需要精確實(shí)現(xiàn)差分線對(duì)等長(zhǎng)布線的一個(gè)理由。如果信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)差分線對(duì)的另一端的話，那么源端所能夠提供的任何時(shí)序的控制都會(huì)大打折扣。此外，如果差分線對(duì)遠(yuǎn)端的信號(hào)并非嚴(yán)格意義上的等值而反向，那么就會(huì)出現(xiàn)共模噪聲，所謂共模噪聲，又稱為非對(duì)稱噪聲或線路對(duì)地的噪聲，在使用交流電源的電氣設(shè)備的輸入端（輸電線和中線）都存在這種噪聲，兩者對(duì)地的相位保持相同。共模噪聲的電流在兩個(gè)輸電線上以相同的方向流動(dòng)并通過(guò)地線返回。共模噪聲可以通過(guò)在電磁干擾濾波器中放置與每條輸電線串聯(lián)的電感，并在兩個(gè)輸電線和地之間使用Y電容進(jìn)行連接，來(lái)予以抑制。而這將導(dǎo)致出現(xiàn)信號(hào)時(shí)序和EMI方面的問(wèn)題。由于差分信號(hào)并不參照它們自身以外的任何信號(hào)，并且可以更加嚴(yán)格地控制信號(hào)交叉點(diǎn)的時(shí)序，所以差分電路同常規(guī)的單端信號(hào)電路相比通?？梢砸愿叩乃俣裙ぷ鳌?/p>

由于差分電路的工作取決于兩個(gè)信號(hào)線(它們的信號(hào)等值而反向)上信號(hào)之間的差值，同周?chē)脑肼曄啾龋玫降男盘?hào)就是任何一個(gè)單端信號(hào)的兩倍大小。所以，在其它所有情況都一樣的條件下，差分信號(hào)能夠很容易的識(shí)別小信號(hào)，總是具有更高的信噪比，因而提供更高的性能。

差分電路對(duì)于差分對(duì)上的信號(hào)電平之間的差異非常靈敏。但是相對(duì)于一些其它的參考(尤其是地)來(lái)說(shuō)，它們對(duì)于差分線上的絕對(duì)電壓值卻不敏感。相對(duì)來(lái)說(shuō)，差分電路對(duì)于類(lèi)似地彈反射和其它可能存在于電源和地平面上的噪聲信號(hào)等這樣的問(wèn)題是不敏感的，而對(duì)共模信號(hào)來(lái)說(shuō)，它們則會(huì)完全一致地出現(xiàn)在每一條信號(hào)線上。

差分信號(hào)對(duì)EMI和信號(hào)之間的串?dāng)_耦合也具有一定的免疫能力。如果一對(duì)差分信號(hào)線對(duì)的布線非常緊湊，那么任何外部耦合的噪聲都會(huì)相同程度地耦合到線對(duì)中的每一條信號(hào)線上，所以耦合的噪聲就成為“共模”噪聲，而差分信號(hào)電路對(duì)這種信號(hào)具有非常完美的免疫能力。如果線對(duì)是絞合在一起的(比如雙絞線)，那么信號(hào)線對(duì)耦合噪聲的免疫能力會(huì)更強(qiáng)。由于不可能在PCB上很方便地實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的絞合，那么盡可能地將它們的布線靠近在一起就成為實(shí)際應(yīng)用中一種非常好的辦法。

布線非?？拷牟罘中盘?hào)對(duì)相互之間也會(huì)互相緊密耦合。這種互相之間的耦合會(huì)減小EMI發(fā)射，特別是同單端PCB信號(hào)線相比?？梢赃@樣想象，差分信號(hào)中每一條信號(hào)線對(duì)外的輻射是大小相等而方向相反，因此會(huì)相互抵消，就像信號(hào)在雙絞線中的情況一樣。差分信號(hào)在布線時(shí)靠得越近，相互之間的耦合也就越強(qiáng)，因而對(duì)外的EMI輻射也就越小。

若電路板的面積非常緊張，單端信號(hào)可以只有一根信號(hào)線，地線走地平面，而差分信號(hào)一定要走兩根等長(zhǎng)、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。因此差分電路的主要缺點(diǎn)就是增加了PCB線。所以，如果應(yīng)用過(guò)程中不能發(fā)揮差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)的話，那么不值得增加PCB面積。但是如果設(shè)計(jì)出的電路性能方面有重大改進(jìn)的話，那么增加的布線面積所付出的代價(jià)就是值得的。

本文總結(jié)

信號(hào)線的外在阻抗會(huì)由于差分信號(hào)線之間的互相耦合而受影響，因此必須采用終端匹配策略。差分阻抗的計(jì)算很困難，美國(guó)的國(guó)家半導(dǎo)體公司在這個(gè)領(lǐng)域提供了一些參考。Polar Instruments也提供一個(gè)獨(dú)立的可以計(jì)算許多種不同的差分信號(hào)結(jié)構(gòu)3的差分阻抗計(jì)算器(需要一些費(fèi)用)。高端的設(shè)計(jì)工具包也可以計(jì)算差分阻抗。

但是要注意差分線之間的相互耦合將直接影響差分阻抗的計(jì)算。差分線之間的耦合必須保證沿整個(gè)差分線都保持為一個(gè)常數(shù)或者確保阻抗的連續(xù)性。這也是差分線之間必須保持“恒定間距”設(shè)計(jì)規(guī)則的原因。