高速PCB差分信号设计的真相与误区
高速PCB差分信号设计的真相与误区
在高速PCB设计领域，差分信号的运用愈发普遍。与普通单端信号走线相比，差分信号具有抗干扰能力强、能有效抑制EMI、时序定位精确等显著优势。本文将详细介绍差分信号的布线要求，并解析常见的设计误区。
差分信号布线要求
在PCB板上，差分走线有着严格要求。首先是等长，即两条线的长度应尽可能相同，其目的在于确保两个差分信号始终维持相反极性，从而减少共模分量。其次是等宽、等距，这意味着两条信号的走线宽度需一致，且间距保持恒定并相互平行。再者，在设计含差分信号的PCB时，关键之一是确定应用的目标阻抗，并据此规划差分对，同时要使阻抗变化尽可能小。差分线的阻抗受走线宽度、走线耦合、铜厚度以及PCB材料和层叠等诸多因素影响，在设计时需综合考量以避免改变差分对阻抗的因素。
差分信号常见误区解析
1. 关于回流路径的误区
部分设计人员错误地认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者觉得差分走线彼此能为对方提供回流途径。这主要源于被表面现象误导以及对高速信号传输机理认识不足。实际上，差分电路虽对电源和地平面上的噪音信号相对不敏感，但并非不以参考平面作为信号返回路径。在信号回流方面，差分走线和普通单端走线机理类似，高频信号总是沿电感最小的回路回流，只是差分线除对地耦合外还存在相互耦合，不过在PCB电路设计中，差分走线间耦合度通常仅占10-20%，更多是对地耦合，所以其主要回流路径在地平面。当地平面不连续时，无参考平面区域差分走线间耦合才成为主要回流通路，虽影响不如对单端走线严重，但仍会降低信号质量、增加EMI，应尽量避免。而且去除差分走线下方参考平面以抑制共模信号的做法不可取，因无法控制阻抗，会引发EMI辐射，得不偿失。
2. 线长与间距的误区
一些人认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际PCB布线中，因管脚分布、过孔和走线空间等限制，常需绕线实现线长匹配，导致差分对部分区域无法平行。但在PCB差分走线设计中，匹配线长才是最重要规则，其他规则可依设计要求与实际应用灵活处理。
3. 差分走线间距的误区
有人认为差分走线一定要靠得很近。靠近确实可增强耦合，提升抗噪能力与抑制EMI，但并非绝对。若能确保差分走线有良好隔离与屏蔽，就无需仅靠强耦合抗干扰。地平面隔离也能起到良好屏蔽作用，如高频（10G以上）IC封装PCB设计常用的CPW结构，可精准控制差分阻抗。在PCB批量板厂的设计生产中，正确理解和处理这些差分信号要点与误区，对提升产品高速性能和稳定性极为关键。