作為一名PCB設計工程師,充分理解「差分信號」很重要

2021-02-19 麵包板社區


在高速PCB設計中，差分信號的應用越來越廣泛，這主要是因為和普通的單端信號走線相比，差分信號具有抗幹擾能力強、能有效抑制EMI、時序定位精確的優勢。作為一名（準）PCB設計工程師，我們當然需要充分理解差分信號！

關於差分信號

嚴格意義上來說，所有的電壓信號都是「差分」的，因為一個電壓總是相對另一個電壓而言。但大部分情況下，我們會把「地」做為電壓基準點，從而測得另一個電壓值，這種信號被稱為單端信號。由於是和「地」做比較，單端信號在PCB上的表現通常只有一根導線（Track）。

那什麼是差分信號呢？區別於傳統的一根信號線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的振幅相等，相位相差180度，極性相反。在這兩根線上傳輸的信號就是差分信號。

差分信號在PCB上的表現會有兩根導線（Track）。

差分信號的優缺點

優點

1、抗幹擾能力強。幹擾噪聲一般會等值、同時的被加載到兩根信號線上，而其差值為0，即：噪聲對信號的邏輯意義不產生影響。

2、能有效抑制電磁幹擾（EMI）。由於兩根線靠得很近且信號幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場的幅值也相等，同時他們的信號極性相反，其電磁場將相互抵消。因此對外界的電磁幹擾也小。

3、時序定位準確。差分信號的接受端是兩根線上的信號幅值之差發生正負跳變的點，作為判斷邏輯0/1跳變的點的。而普通單端信號以閾值電壓作為信號邏輯0/1的跳變點，受閾值電壓與信號幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號。

缺點

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。這樣的情況常常發生在晶片的管腳間距很小，以至於只能穿過一根走線的情況下。

差分信號布線要求

在PCB電路板上，差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。

1. 等長：等長是指兩條線的長度要儘量一樣長，是為了保證兩個差分信號時刻保持相反極性。減少共模分量。

2. 等寬、等距：等寬是指兩條信號的走線寬度需要保持一致，等距是指兩條線之間的間距要保持不變，保持平行。

3. 差分線彼此靠近，靠越近，迴路面積越小，走線下面感應電流的迴路面積也越小，對EMI控制也好。

4. 差分走線要求在同一板層上，因為不同層之間的阻抗、過孔等差別會降低差模傳輸的效果而引入共模噪聲。

提醒：在PCB布線規則中，有一條「關鍵信號線優先」的原則，即電源、摸擬信號、高速信號、時鐘信號、差分信號和同步信號等關鍵信號優先布線。

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