PCB设计：差分线

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PCB设计：差分线

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http://www.360doc.com/content/24/0428/00/476286_1121648885.shtml

差分线是PCB设计中常见的一种高速信号传输方式，通过两条平行的走线传输相位差180度的信号，具有抗干扰能力强、能有效抑制EMI、时序定位精确等优势。本文将详细介绍差分线的设计要求、长度匹配的重要性以及具体的PCB走线要求。

1、差分线的定义

差分线是两条平行的、等长的走线，传输相位差180度的同一个信号，是一根传输“+信号”，一根传输“-信号”。两个信号相减得到2倍强度的有用信号。而两根信号线上的干扰信号相减之后也就没了。

2、差分线的优势

差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：

a. 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

b. 能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，如图在A-A'的电流是从右到左，那B-B'的是从左到右，那么按右手螺旋定则，那他们的磁力线是互相抵消的。耦合的越紧密，互相抵消的磁力线就越多。泄放到外界的电磁能量越少。

c. 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。

3、差分线设计

差分线设计是在电路布线中常见的一种技术，用于传输高速信号时减少干扰和保持信号完整性。根据您提到的布线要求，下面是对这些要求的详细描述：

阻抗：差分线的阻抗是设计中的关键因素之一。它确保信号在传输过程中的稳定性和一致性。在差分信号传输中，保持正确的阻抗可以减少信号的反射和功耗，提高信号完整性。通常，差分线的阻抗设计会考虑传输线的几何形状、介质材料以及线宽等因素。
等长：差分线的等长性是为了确保两条差分线同时到达目标点，从而避免信号的相位偏移或失真。通过确保两条线的长度相等，可以最大程度地减少信号的时延差异，提高信号的稳定性。
等宽：差分线的等宽性是指两条差分线的宽度保持一致。这一点对于保持阻抗的一致性非常重要，因为差分线的宽度直接影响其阻抗值。通过保持等宽，可以确保两条差分线的阻抗相匹配，进而保持信号的完整性。
靠近：差分线应尽可能靠近彼此以最大程度地减少外部干扰的影响。这意味着在布线设计中，需要注意将两条差分线放置在相邻的层或相近的位置，以减少其间的电磁干扰。
同层：最好将差分线放置在同一层次，而不是跨层布线。这有助于减少信号在不同层间的耦合和干扰，提高信号的稳定性和可靠性。
等距：差分线在布线过程中应保持相对等距。这包括线与线之间的间距和线与其他元件（如地线或信号线）的间距。等距布线有助于维持电磁兼容性和减少串扰。

总体来说，差分线设计需要综合考虑上述要求，通过合理的布线方案和参数选择，确保差分信号的传输质量和稳定性，减少电路中的干扰和损耗。

4、差分线的长度匹配

理想情况下，差分信号是正负对称的，其共模份量为零或者只有直流份量，如图所示。如果差分线的正负传输线长度不等，造成传输时间不一致，实际上就是信号在时间轴上的不对称，在终端负载电阻上就能观察到图2所示的波形。显然此时的正负波形不能严格对称，差分电路中的正负电流无法抵消，于是其电源中就有共模电流份量在流动。研究过EMI的人都知道，共模辐射是最难对付的。

差分信号转共模信号的现象，在李玉山教授翻译的Bogatin的《信号完整性》一书中对此有详细的解释。书中给出的指导原则是差分线的长度偏差必须在上升沿空间拓展的20%以内，如果上升时间是100ps，那么长度差应该控制在100mil以内（以FR4材质的PCB为例），否则会引起EMI问题。

实际测量一下差分信号，如图所示，图中最下面一条图形为共模电压份量，很明显在波形正负边沿交叉的时候的确有脉冲输出。

我们随机选取了10条HDMI线，使用网络分析仪测试了每条线的CLK差分线的时延差，因为时延差直接反映了正负传输线的长度差，10条线的时延差如表所示。

接下来，分别选两台EMI测量用PC作为HDMI信源，接上负载，然后测量每条线所产生的共模电压的峰峰值，如表2中所示，将它们绘制在图4中。

从图中，我们可以看到直观的看到：只要时延差（横轴表示）大的，无论是正值还是负值，其共模电压幅度（纵轴表示）均较高，且两台电脑呈现相同的趋势。这就是说时延差大的，也就差分线长度匹配差异越大，产生的共模电压越高。

在随后的辐射测试中，保持测试电脑（PC1）及被测机器不变，依次更换10条HDMI线，其结果印证了我们的预计，数据详见表。为了图形的清晰，选择共模电压最小、中间、最大的8#、4#、0#这3条线的测试数据用图形表示，如图所示。0#线时延差最大，辐射也最大；8#线时延差最小，辐射也最小。绝大部分频率点上的辐射特性强弱与共模电压大小几乎都有直接的对应关系。

以上实验说明差分线长度的不匹配程度越大，共模辐射也越大，也就解释了换用不同的HDMI线其辐射测试结果相差甚远的原因。

差分电路的好处是在于对称，包括传输线的长度对称，倘若做不到，差分信号转共模信号后会带来EMI和眼图等问题。上升沿速度越快，对差分长度匹配要求越高。

对于在PCB板上的差分传输线，必须考虑差分芯片收发整个链路的长度差，这一点在设计中常常被忽略，特别是一些FPGA的差分走线，有些跟FPGA内部的走线时序约束有关系。