高速電路設(shè)計(jì)中的差分信號(hào)

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高速電路設(shè)計(jì)中的差分信號(hào)

電源適配器差分走線

差分信號(hào)（DifferentialSignal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，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？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)問題，我們進(jìn)行下一部分的討論。

高速電路設(shè)計(jì)中的差分信號(hào)

何為差分信號(hào)？通俗地說，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過比較這兩個(gè)電壓的差值來判斷邏輯狀態(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，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場可以相互抵消，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工程師來說，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。也許只要是接觸過Layout的人都會(huì)了解差分走線的一般要求，那就是“等長、等距”。等長是為了保證兩個(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。從圖1-8-15的接收端的結(jié)構(gòu)可以看到，晶體管Q3,Q4的發(fā)射極電流是等值，反向的，他們?cè)诮拥靥幍碾娏髡孟嗷サ窒↖1=0），因而差分電路對(duì)于類似地彈以及其它可能存在于電源適配器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)，那一種就成為主要的回流通路。圖1-8-16是單端信號(hào)和差分信號(hào)的地磁場分布示意圖。
高速電路設(shè)計(jì)中的差分信號(hào)

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，見圖1-8-17所示。盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒有對(duì)普通的單端走線來的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加EMI，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，勢必會(huì)造成EMI輻射，這種做法弊大于利。

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誤區(qū)二：認(rèn)為保持等間距比匹配線長更重要。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，過孔，以及走線空間等因素存在，必須通過適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長匹配的目的，但帶來的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無法平行，這時(shí)候我們?cè)撊绾稳∩崮?？在下結(jié)論之前我們先看看下面一個(gè)仿真結(jié)果。
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從上面的仿真結(jié)果看來，方案1和方案2波形幾乎是重合的，也就是說，間距不等造成的影響是微乎其微的，相比較而言，線長不匹配對(duì)時(shí)序的影響要大得多（方案3）。再從理論分析來看，間距不一致雖然會(huì)導(dǎo)致差分阻抗發(fā)生變化，但因?yàn)椴罘謱?duì)之間的耦合本身就不顯著，所以阻抗變化范圍也是很小的，通常在10%以內(nèi)，只相當(dāng)于一個(gè)過孔造成的反射，這對(duì)信號(hào)傳輸不會(huì)造成明顯的影響。而線長一旦不匹配，除了時(shí)序上會(huì)發(fā)生偏移，還給差分信號(hào)中引入了共模的成分，降低信號(hào)的質(zhì)量，增加了EMI。

可以這么說，PCB差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長，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。讓差分走線靠近無非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場的相反極性來抵消對(duì)外界的電磁干擾。雖說這種做法在大多數(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讓通過彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制EMI的目的了。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，電磁場能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過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)用采用，被稱為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制（2Z0），如圖1-8-19。

高速電路設(shè)計(jì)中的差分信號(hào)

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、過孔的差別會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч?，引入共模噪聲。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，但如果能保持和周圍走線適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個(gè)問題。在一般頻率（GHz以下），EMI也不會(huì)是很嚴(yán)重的問題，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，足以滿足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問題。

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| 發(fā)布時(shí)間：2018.07.19 來源：電源適配器廠家

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