差分信號(hào)走線原則

1、設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則1我們處理差分信號(hào)的第一個(gè)規(guī)則是：走線必須等長(zhǎng)。有人激烈地反對(duì)這條規(guī)則。通常他們的爭(zhēng)論的基礎(chǔ)包括了信號(hào)時(shí)序。他們?cè)敱M地指出許多差分電路可以容忍差分信號(hào)兩個(gè)部分相當(dāng)?shù)臅r(shí)序偏差而仍然能夠可靠地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。根據(jù)使用的不同的邏輯門系列，可以容忍500mil的走線長(zhǎng)度偏差。并且這些人們能夠?qū)⑦@些情況用器件規(guī)范和信號(hào)時(shí)序圖非常詳盡地描繪出來(lái)。問(wèn)題是，他們沒(méi)有抓住要點(diǎn)！差分走線必須等長(zhǎng)的原因與信號(hào)時(shí)序幾乎沒(méi)有任何關(guān)系。與之相關(guān)的僅僅是假

2、定差分信號(hào)是大小相等且極性相反的以及如果這個(gè)假設(shè)不成立將會(huì)發(fā)生什么。將會(huì)發(fā)生的是：不受控的地電流開(kāi)始流動(dòng)，最好情況是良性的，最壞情況將導(dǎo)致嚴(yán)重的共模EMI問(wèn)題。因此，如果你依賴這樣的假定，即：差分信號(hào)是大小相等且極性相反，并且因此沒(méi)有通過(guò)地的電流，那么這個(gè)假定的一個(gè)必要推論就是差分信號(hào)對(duì)的長(zhǎng)度必須相等。差分信號(hào)與環(huán)路面積：如果我們的差分電路處理的信號(hào)有著較慢的上升時(shí)間，高速設(shè)計(jì)規(guī)則不是問(wèn)題。但是，假設(shè)我們正在處理的信號(hào)有著有較快的上升時(shí)

3、間，什么樣的額外的問(wèn)題開(kāi)始在差分線上發(fā)生呢？考慮一個(gè)設(shè)計(jì)，一對(duì)差分線從驅(qū)動(dòng)器到接收器，跨越一個(gè)平面。同時(shí)假設(shè)走線長(zhǎng)度完全相等，信號(hào)嚴(yán)格大小相等且極性相反。因此，沒(méi)有通過(guò)地的返回電流。但是，盡管如此，平面層上存在一個(gè)感應(yīng)電流！任何高速信號(hào)都能夠（并且一定會(huì)）在相鄰電路（或者平面）產(chǎn)生一個(gè)耦合信號(hào)。這種機(jī)制與串?dāng)_的機(jī)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(hào)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(huì)在其下方的平面上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流。但這不是返回電流。所有的返回電流已經(jīng)抵消了。因此，這純粹是平面上的耦合噪聲。問(wèn)題是，如果電流必須在一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)，剩下來(lái)的電流到哪里去了呢？記住，我們有兩根走線，其信號(hào)大小相等極性相反。其中一根走線在平面一個(gè)方向上耦合了一個(gè)信號(hào)，另一根在平面另一個(gè)方向上耦合了一個(gè)信號(hào)。平面上這兩個(gè)耦合電流大小相等（假設(shè)其它方面設(shè)計(jì)得很好）。因此電流完全在差分走線下方的一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)（圖3）。它們看上去就

5、像是渦流。耦合電流在其中流動(dòng)的環(huán)路由（a）差分線自身和（b）走線在每個(gè)端點(diǎn)之間的間隔來(lái)定義。設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)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(diǎn)的方法引出了我們的第二條設(shè)計(jì)規(guī)則：將差分線彼此靠近布線。有人反對(duì)這條規(guī)則，事實(shí)上這條規(guī)則在上升時(shí)間較慢并且EMI不是問(wèn)題時(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)電流環(huán)路。另外一個(gè)原因是防止平面上已有的噪聲耦合到（推測(cè)如此）走線上的低壓信號(hào)4。還有一個(gè)將差分線彼此靠近布線的理由。差分接收器設(shè)計(jì)為對(duì)輸入信號(hào)的差敏感而對(duì)輸入的共模偏移不敏感。也就是說(shuō)即使（）輸入相對(duì)（）輸入僅有輕微的偏移，接收器也會(huì)檢測(cè)到。但是如果（）和（）輸入一起偏移（在同樣的方向），相對(duì)而言接收器帶著這兩個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行下一部分

7、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：?a.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被完全抵消。?b.能有效抑制EMI，同樣的道理

8、，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。?c.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（lowvoltagedifferentialsignaling）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

9、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?！氨M量靠近原則”有時(shí)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(lái)生搬硬套的，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

10、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