差分信號線(xiàn)的分析和LAYOUT

隨著(zhù)近幾年對速率的要求快速提高，新的總線(xiàn)協(xié)議不斷的提出更高的速率。傳統的總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足要求了。串行總線(xiàn)由于更好的抗干擾性，和更少的信號線(xiàn)，更高的速率獲得了眾多設計者的青睞。而串行總線(xiàn)又尤以差分信號的方式為最多。所以在這篇中整理了些有關(guān)差分信號線(xiàn)的設計和大家探討下。

1.差分信號線(xiàn)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

差分信號（Differential Signal）在高速電路設計中的應用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結構設計，什么另它這么倍受青睞呢？在PCB 設計中又如何能保證其良好的性能呢？帶著(zhù)這兩個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行下一部分的討論。 何為差分信號？通俗地說(shuō)，就是驅動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號，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”。而承載差分信號的那一對走線(xiàn)就稱(chēng)為差分走線(xiàn)。

差分信號和普通的單端信號走線(xiàn)相比，最明顯的優(yōu)勢體現在以下三個(gè)方面：

a.抗干擾能力強，因為兩根差分走線(xiàn)之間的耦合很好，當外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線(xiàn)上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，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，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，如圖在A(yíng)-A‘的電流是從右到左，那B-B‘的是從左到右，那么按右手螺旋定則，那他們的磁力線(xiàn)是互相抵消的。耦合的越緊密，互相抵消的磁力線(xiàn)就越多。泄放到外界的電磁能量越少。

c.時(shí)序定位精確，由于差分信號的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號的交點(diǎn)，而不像普通單端信號依靠高低兩個(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的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。

2.差分信號的一個(gè)實(shí)例：LVDS

LVDS（Low Voltage Differential Signaling)是一種低擺幅的電流型差分信號技術(shù)，它使得信號能在差分PCB線(xiàn)對或平衡電纜上以幾百Mbps的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅動(dòng)輸出實(shí)現了低噪聲和低功耗。LVDS驅動(dòng)器由一個(gè)驅動(dòng)差分線(xiàn)對的電流源組成通常電流為3.5mA)，LVDS接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅動(dòng)器輸出的電流大部分都流過(guò)100Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約350mA 的電壓。當驅動(dòng)器翻轉時(shí)，它改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯″1″和邏輯″0″狀態(tài)。低擺幅驅動(dòng)信號實(shí)現了高速操作并減小了功率消耗，差分信號提供了適當噪聲邊緣和功率消耗大幅減少的低壓擺幅。功率的大幅降低允許在單個(gè)集成電路上集成多個(gè)接口驅動(dòng)器和接收器。這提高了PCB板的效能，減少了成本。

不管使用的LVDS傳輸媒質(zhì)是PCB線(xiàn)對還是電纜，都必須采取措施防止信號在媒質(zhì)終端發(fā)生反射，同時(shí)減少電磁干擾。LVDS要求使用一個(gè)與媒質(zhì)相匹配的終端電阻（100±20Ω），該電阻終止了環(huán)流信號，應該將它盡可能靠近接收器輸入端放置。LVDS驅動(dòng)器能以超過(guò)155.5Mbps的速度驅動(dòng)雙絞線(xiàn)對，距離超過(guò)１０ｍ。對速度的實(shí)際限制是：

①送到驅動(dòng)器的TTL數據的速度；

②媒質(zhì)的帶寬性能。

通常在驅動(dòng)器側使用復用器、在接收器側使用解復用器來(lái)實(shí)現多個(gè)TTL信道和一個(gè)LVDS信道的復用轉換，以提高信號速率，降低功耗。并減少傳輸媒質(zhì)和接口數，降低設備復雜性。

LVDS接收器可以承受至少±1V的驅動(dòng)器與接收器之間的地的電壓變化。由于LVDS驅動(dòng)器典型的偏置電壓為+1.2V，地的電壓變化、驅動(dòng)器偏置電壓以及輕度耦合到的噪聲之和，在接收器的輸入端相對于接收器的地是共模電壓。這個(gè)共模范圍是：+0.2V～+2.2V。建議接收器的輸入電壓范圍為：0V～+2.4V。

3.差分信號的布線(xiàn)要求：

對于PCB 工程師來(lái)說(shuō)，罟刈⒌幕故僑綰穩繁Ｔ謔導首呦咧心芡耆發(fā)揮差分走線(xiàn)的這些優(yōu)勢。也許只要是接觸過(guò)Layout 的人都會(huì )了解差分走線(xiàn)的一般要求，即差分對的布線(xiàn)有兩點(diǎn)要注意，一是兩條線(xiàn)的長(cháng)度要盡量一樣長(cháng)，等長(cháng)是為了保證兩個(gè)差分信號時(shí)刻保持相反極性，減少共模分量。另一是兩線(xiàn)的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種，一為兩條線(xiàn)走在同一走線(xiàn)層(side-by-side)，一為兩條線(xiàn)走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者side-by-side 實(shí)現的方式較多。

等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射。對差分對的布線(xiàn)方式應該要適當的靠近且平行。所謂適當的靠近是因為這間距會(huì )影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設計差分對的重要參數。需要平行也是因為要保持差分阻抗的一致性。若兩線(xiàn)忽遠忽近, 差分阻抗就會(huì )不一致, 就會(huì )影響信號完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。

下面是差分傳輸線(xiàn)模型

為便于分析，差分線(xiàn)對常常根據它的奇模和偶模阻抗和延遲來(lái)描述，而這些與其差模和共模對應的部分是密切相關(guān)的，因此可以用方程1 來(lái)計算。

這兒Ctot = Cself + Cm 。Cself 是一條線(xiàn)與地之間的電容，而Cm 是兩條線(xiàn)之間的電容。Lself 和Lm 分別是一條線(xiàn)的自電感，和兩條線(xiàn)之間的互電感。

差分阻抗被定義為在兩條差分驅動(dòng)的導線(xiàn)之間所測得的阻抗。（所謂差分驅動(dòng)就是指當兩個(gè)完全一樣，但極性相反的信號）。差分阻抗是對著(zhù)奇模阻抗而言的，所謂奇模阻抗是指當兩條導線(xiàn)被差分驅動(dòng)[3]時(shí)，在差分線(xiàn)對中一條傳輸導線(xiàn)的阻抗。偶模阻抗是指當兩條導線(xiàn)都被一個(gè)單一的對地共模信號驅動(dòng)時(shí)，在差分線(xiàn)對中兩條導線(xiàn)的阻抗。

利用方程1，可以推得：

差分阻抗

共模阻抗

但所有這些規則都不是用來(lái)生搬硬套的，不少工程師似乎還不了解高速差分信號傳輸的本質(zhì)。下面重點(diǎn)討論一下PCB 差分信號設計中幾個(gè)常見(jiàn)的誤區。

誤區一：認為差分信號不需要地平面作為回流路徑，或者認為差分走線(xiàn)彼此為對方提供回流途徑。造成這種誤區的原因是被表面現象迷惑，或者對高速信號傳輸的機理認識還不夠深入。雖然差分電路對于類(lèi)似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號是不敏感的。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返回路徑，其實(shí)在信號回流分析上，差分走線(xiàn)和普通的單端走線(xiàn)的機理是一致的，即高頻信號總是沿著(zhù)電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區別在于差分線(xiàn)除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強，那一種就成為主要的回流通路。

在PCB 電路設計中，一般差分走線(xiàn)之間的耦合較小，往往只占10~20%的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線(xiàn)的主要回流路徑還是存在于地平面。當地平面發(fā)生不連續的時(shí)候，無(wú)參考平面的區域，差分走線(xiàn)之間的耦合才會(huì )提供主要的回流通路。盡管參考平面的不連續對差分走線(xiàn)的影響沒(méi)有對普通的單端走線(xiàn)來(lái)的嚴重，但還是會(huì )降低差分信號的質(zhì)量，增加EMI，要盡量避免。也有些設計人員認為，可以去掉差分走線(xiàn)下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？不給共模信號提供地阻抗回路，勢必會(huì )造成EMI 輻射，這種做法弊大于利。

所以要保持PCB地線(xiàn)層返回路徑寬而短。盡量不要跨島（跨過(guò)相鄰電源或地層的分隔區域。）比如主板設計中的USB和SATA及PCI-EXPRESS等最好不要有跨島的做法。保證這些信號的下面是個(gè)完整地平面或電源平面。