在電路板設(shè)計中利用差分信號線布線的優(yōu)勢及其布線策略

精品文檔-下載后可編輯在電路板設(shè)計中利用差分信號線布線的優(yōu)勢及其布線策略差分信號（DifferentialSignal）在高速電路設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計，什么另它這么倍受青睞呢？接下來本文對其在電路板中體現(xiàn)的優(yōu)點進(jìn)行討論。

布線非?？拷牟罘中盘枌ο嗷ブg也會互相緊密耦合，這種互相之間的耦合會減小EMI發(fā)射，所謂EMI即是ElectroMagneticInterference的縮寫，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類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。但是差分信號線的主要缺點是增加了PCB的面積，這是本文將討論的另一個問題——介紹電路板設(shè)計過程中采用差分信號線布線的布線策略。

眾所周知，信號存在沿信號線或者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，單端這個術(shù)語將信號的這種傳輸特性與差模和共模種信號傳輸方式區(qū)別開來，后面這兩種信號傳輸方式通常更為復(fù)雜。（順便介紹單端這個術(shù)語，從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，“系統(tǒng)地”被用作電壓基準(zhǔn)點。當(dāng)“地”當(dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端的。）

差分和共模方式

差模信號通過一對信號線來傳輸。一個信號線上傳輸我們通常所理解的信號；另一個信號線上則傳輸一個等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號。然后接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。差分和單端模式初出現(xiàn)時差異不大，因為所有的信號都存在回路。

單端模式的信號通常經(jīng)由一個零電壓的電路(或者稱為地)來返回。差分信號中的每一個信號都要通過地電路來返回。由于每一個信號對實際上是等值而反向的，所以返回電路就簡單地互相抵消了，因此在零電壓或者是地電路上就不會出現(xiàn)差分信號返回的成分。

共模方式是指信號出現(xiàn)在一個(差分)信號線對的兩個信號線上，或者是同時出現(xiàn)在單端信號線和地上。對這個概念的理解并不直觀，因為很難想象如何產(chǎn)生這樣的信號。這主要是因為通常我們并不生成共模信號的緣故。共模信號絕大多數(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源耦合進(jìn)來的噪聲信號。共模信號幾乎總是“有害的”，許多設(shè)計規(guī)則就是專為預(yù)防共模信號出現(xiàn)而設(shè)計的。

差分信號線的布線

一般來說(當(dāng)然也有一些例外)差分信號也是高速信號，所以高速設(shè)計規(guī)則通常也都適用于差分信號的布線，特別是設(shè)計傳輸線1這樣的信號線時更是如此。這就意味著我們必須非常謹(jǐn)慎地設(shè)計信號線的布線，以確保信號線的特征阻抗沿信號線各處連續(xù)并且保持一個常數(shù)。

對于PCB工程師來說，關(guān)注的還是如何確保在實際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢。在差分線對的布局布線過程中，我們希望差分線對中的兩個PCB線完全一致，以保證兩個差分信號時刻保持相反極性，減少共模分量及反射。這就意味著，在實際應(yīng)用中應(yīng)該盡的努力來確保差分線對中的PCB線具有完全一樣的阻抗并且布線的長度也完全一致。差分PCB線通常總是成對布線，而且它們之間的距離沿線對的方向在任意位置都保持為一個常數(shù)不變。通常情況下，差分線對的布局布線總是盡可能地靠近。

差分信號的優(yōu)勢

單端信號通常總是參照某種“參考”電平。這種“參考”電平可能是一個正值電壓也可能是地電壓、一個器件的閾值電壓、或者是其它什么地方的另外一個信號。而另一方面差分信號則總是參照該差分線對中的另一方。也就是說，如果一個信號線(+信號)上的電壓高于另一個信號線(-信號)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)，參見圖1。

與單端信號相比，差分信號具有以下幾個優(yōu)點：

時序得到的定義，這是由于控制信號線對的交叉點要比控制信號相對于一個參考電平的電壓值來得簡單。這也是需要實現(xiàn)差分線對等長布線的一個理由。如果信號不能同時到達(dá)差分線對的另一端的話，那么源端所能夠提供的任何時序的控制都會大打折扣。此外，如果差分線對遠(yuǎn)端的信號并非嚴(yán)格意義上的等值而反向，那么就會出現(xiàn)共模噪聲，所謂共模噪聲，又稱為非對稱噪聲或線路對地的噪聲，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，兩者對地的相位保持相同。共模噪聲的電流在兩個輸電線上以相同的方向流動并通過地線返回。共模噪聲可以通過在電磁干擾濾波器中放置與每條輸電線串聯(lián)的電感，并在兩個輸電線和地之間使用Y電容進(jìn)行連接，來予以抑制。而這將導(dǎo)致出現(xiàn)信號時序和EMI方面的問題。由于差分信號并不參照它們自身以外的任何信號，并且可以更加嚴(yán)格地控制信號交叉點的時序，所以差分電路同常規(guī)的單端信號電路相比通?？梢砸愿叩乃俣裙ぷ?。

由于差分電路的工作取決于兩個信號線(它們的信號等值而反向)上信號之間的差值，同周圍的噪聲相比，得到的信號就是任何一個單端信號的兩倍大小。所以，在其它所有情況都一樣的條件下，差分信號能夠很容易的識別小信號，總是具有更高的信噪比，因而提供更高的性能。

差分電路對于差分對上的信號電平之間的差異非常靈敏。但是相對于一些其它的參考(尤其是地)來說，它們對于差分線上的電壓值卻不敏感。相對來說，差分電路對于類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等這樣的問題是不敏感的，而對共模信號來說，它們則會完全一致地出現(xiàn)在每一條信號線上。

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

布線非常靠近的差分信號對相互之間也會互相緊密耦合。這種互相之間的耦合會減小EMI發(fā)射，特別是同單端PCB信號線相比?？梢赃@樣想象，差分信號中每一條信號線對外的輻射是大小相等而方向相反，因此會相互抵消，就像信號在雙絞線中的情況一樣。差分信號在布線時靠得越近，相互之間的耦合也就越強，因而對外的EMI輻射也就越小。

若電路板的面積非常緊張，單端信號可以只有一根信號線，地線走地平面，而差分信號一定要走兩根等長、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就是增加了PCB線。所以，如果應(yīng)用過程中不能發(fā)揮差分信號的優(yōu)點的話，那么不值得增加PCB面積。但是如果設(shè)計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就是值得的。

本文總結(jié)

信號線的外在阻抗會由于差分信號線之間的互相耦合而受影響，因此必須采用終端匹配策略。差分阻抗的計算很困難，美國的國家半導(dǎo)體公司在這個領(lǐng)域提供了一些參考。PolarInstrumen