深入分析差分信號(hào)回流路徑

一、單端信號(hào)與差分信號(hào)：

1.1、單端信號(hào)與差分信號(hào)：

單端信號(hào)是使用一根信號(hào)線傳輸?shù)?，參考點(diǎn)選擇地平面的信號(hào)。也就是說，單端信號(hào)是在一根導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地平面之間的電位差。這就要求信號(hào)從源端傳遞到接收端，源端與接收端的參考地電位要基本相同。

差分信號(hào)是使用兩根線傳輸?shù)男盘?hào)，一根線傳輸正極性信號(hào)，一根線傳輸負(fù)極性信號(hào)，在接收端通過比較正負(fù)信號(hào)的差值，來判斷識(shí)別信號(hào)。這樣做的好處是，即使信號(hào)源端與接收源參考地電位不相同，接收端也能夠正確的識(shí)別信號(hào)。

1.2、傳輸上的差別：

單端信號(hào)是以參考地平面為基準(zhǔn)的，當(dāng)參考地平面流過直流信號(hào)時(shí)，從源端到接收端的參考地平面之間幾乎沒有電位差；當(dāng)流過交流信號(hào)、大電流信號(hào)，尤其是高頻信號(hào)時(shí)，從源端到接收端參考地平面之間因?yàn)榧纳姼械拇嬖?，就?huì)產(chǎn)生電位差，電位差的大小受信號(hào)工作頻率高低，上升沿/下降沿斜率、工作電流大小、參考地平面寄生電感大小影響。

雖然差分信號(hào)兩根信號(hào)都是參考地平面的，地平面浮動(dòng)時(shí)，兩根信號(hào)同時(shí)浮動(dòng)（理想情況下），兩根信號(hào)之間的差值幾乎不變，而接收端是識(shí)別兩個(gè)信號(hào)之間的差值。故差分信號(hào)傳輸對(duì)參考地平面的要求相比于單端信號(hào)要低很多。

信號(hào)在傳輸過程中，穿過某個(gè)信號(hào)的磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)就會(huì)在上面產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于單端信號(hào)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直接疊加到信號(hào)上，而對(duì)于差分信號(hào)而言，因?yàn)閮筛€產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相同，兩者差值為零，不會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生任何影響。這是為什么差分信號(hào)比單端信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)的秘密所在。 ? ?

二、差分信號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)：

2.1、差分信號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)：

差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是：差分信號(hào)接收端是通過識(shí)別兩個(gè)信號(hào)之間的差值來做信號(hào)判斷，所以基準(zhǔn)地電位的精確性對(duì)差分信號(hào)影響較小。差分信號(hào)第二個(gè)好處是抗干擾能力較強(qiáng)，

本身的EMI輻射也較小。差分信號(hào)第三個(gè)好處是在一個(gè)單電源系統(tǒng)里，能夠從容精確地

處理〝雙極〞信號(hào)。

2.2、差分信號(hào)的缺點(diǎn)：

差分信號(hào)要求兩個(gè)信號(hào)振幅相等，相位相差180度，極性相反，兩根線等長。接收端是比較兩個(gè)信號(hào)差值，所以相位、時(shí)延對(duì)差分信號(hào)就顯得非常重要了，而單端信號(hào)就不存在此問題。

三、差分信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)則：

3.1、緊耦原則：

當(dāng)緊密耦合時(shí)，由于兩根線電流大小相等，極性相反；對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小也相等，極性也同樣相反，彼此互相抵消。緊密耦合另一個(gè)好處是，感應(yīng)在兩根線的外部噪聲電壓均以等量的共模噪聲形式出現(xiàn)，在接收端只對(duì)差模信號(hào)敏感，而對(duì)共模信號(hào)不敏感，因此接收端抑制了共模噪聲。 ? ?

3.2、等長等距原則：

差分信號(hào)對(duì)應(yīng)保持電氣長度相等，兩個(gè)線跡間距在整個(gè)線跡長度上保持一致。間距的變化會(huì)引起磁場(chǎng)耦合的不平衡，從而降低磁場(chǎng)消除的效果。除了更大的EMI外，布線間距的變化也會(huì)引起信號(hào)阻抗變化，從而造成阻抗的不連續(xù)，造成破壞信號(hào)完整性的信號(hào)反射。

相同的電氣長度布線，可以確保信號(hào)在相同的時(shí)間到達(dá)接收端。對(duì)于相同長度的差分信號(hào)而言，兩個(gè)信號(hào)相等且極性相反，因此它們的和則必為零。如果線跡電氣長度不同，那么較短線跡上的信號(hào)就會(huì)比較長線跡上的信號(hào)較早地改變狀態(tài)。嚴(yán)重的情況下，兩個(gè)線跡在某點(diǎn)則會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流相同的情況。 當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相加時(shí)，該總信號(hào)在過渡從零電平轉(zhuǎn)移。高頻條件下，這對(duì)差分信號(hào)通過參考地平面回流到源端，形成環(huán)路天線向外輻射。

3.3、阻抗受控原則：

差分信號(hào)阻抗由信號(hào)對(duì)線跡的物理幾何、它們同鄰近參考層的關(guān)系，以及PCB電介質(zhì)決定，這些幾何形狀必須在整個(gè)線跡長度保持一致。非連續(xù)性就是信號(hào)路徑中差分信號(hào)的阻抗偏離于其標(biāo)準(zhǔn)值（100±15%），非連續(xù)性可以引起由阻抗不匹配帶來的信號(hào)反射，進(jìn)而破壞信號(hào)完整性。 ? ?

3.4、回流路徑完整原則：

對(duì)于高頻電路，在相鄰層提供相對(duì)完整的參考平面，能夠?yàn)榉祷仉娏魈峁┳钚〉淖杩孤窂?，使信?hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與返回電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，使EMI最小化?？绶指魰?huì)導(dǎo)致信號(hào)回流路徑面積失控，信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與返回電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能有效抵消，EMI輻射

較差。由于差分信號(hào)對(duì)本身的差模環(huán)路不同，感應(yīng)的噪聲大小也不同，共模噪聲在接收端不能有效消除，從而導(dǎo)致信號(hào)本身性能指標(biāo)變差。

四、差分信號(hào)回流路徑深入分析：

4.1、差分信號(hào)回流路徑分析：

差分信號(hào)回流路徑錯(cuò)誤認(rèn)知：

大部分電子工程師認(rèn)為差分信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、空間輻射小的主要原因，是因?yàn)椴罘中盘?hào)從正極信號(hào)經(jīng)傳輸線到負(fù)載端，再經(jīng)負(fù)極信號(hào)返回到源端。差分信號(hào)電流在一個(gè)閉合的環(huán)路內(nèi)流動(dòng)，正負(fù)信號(hào)幅度相等，方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)彼此互相抵消，差分信號(hào)返回電流沒有經(jīng)過參考地平面流回源端。 ? ?

理想狀態(tài)下差分信號(hào)返回路徑分析：

實(shí)際上差分信號(hào)電流返回路徑同單端信號(hào)相同，即D＋信號(hào)電流從源端經(jīng)傳輸線到負(fù)載端，再經(jīng)參考平面返回到源端；而D-信號(hào)電流從負(fù)載端經(jīng)傳輸線到達(dá)源端，再經(jīng)參考平面返回到負(fù)載端。

理想狀態(tài)情況下，由于差分信號(hào)的電流大小相等，極性相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消；返回電流大小相等，極性相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也互相抵消，故差分信號(hào)空間輻射極小。

當(dāng)高頻狀態(tài)下源端與接收端參考地電位不相等時(shí)，接收端正負(fù)差分信號(hào)相對(duì)于參考地平面電位同步抬升或者跌落，而兩者之間差值保持不變，對(duì)于接收端信號(hào)識(shí)別無影響；同理當(dāng)差分信號(hào)處于磁場(chǎng)中時(shí)，兩根線產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小相等，差分信號(hào)之間的差值仍然保持不變，同樣對(duì)信號(hào)的傳輸結(jié)果無影響，故差分信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)。

4.2、差分信號(hào)返回路徑的兩種設(shè)計(jì)形式

多層板差分信號(hào)回流路徑設(shè)計(jì)：

多層板設(shè)計(jì)時(shí)差分信號(hào)通常會(huì)選擇緊鄰的完整地（電源）平面作為電流返回路徑，使其環(huán)路面積最小，信號(hào)電流與返回電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，空間輻射最小。 ? ??

雙層板差分信號(hào)回流路徑設(shè)計(jì)：

雙層板由于PCB布線密度的問題，幾乎很難完全做到單層布線，另一層做完整參考平面的設(shè)計(jì)方式。通常會(huì)選擇差分信號(hào)兩側(cè)包地作為差分信號(hào)的電流返回路徑，信號(hào)電流與返回電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大部分互相抵消，空間輻射也較小。

頂層布線，底層做參考平面的方式：

頂層布線，底層做參考平面的布線方式，乍一看同多層板設(shè)計(jì)方式相同，實(shí)際上卻存在很大差異。具體設(shè)計(jì)要求是：差分信號(hào)從源端到接收端全部在頂層完成PCB布線，而整個(gè)差分信號(hào)頂層布線軌跡對(duì)應(yīng)的底層要保持參考地平面相對(duì)完整，為差分信號(hào)提供低阻抗的回流路徑。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

ü對(duì)于雙層板要保持差分信號(hào)不換層是可以做到的，但是要保持整個(gè)差分信號(hào)軌跡對(duì)應(yīng)的底層參考地平面完整就十分困難，尤其還需要在保持產(chǎn)品成本優(yōu)勢(shì)、通用性的條件下。 ? ?

ü對(duì)于雙層板要使差分信號(hào)選擇底層地平面作回流路徑，則必須保證差分信號(hào)頂層布線與兩側(cè)包地距離小于頂?shù)讓又g的板厚，否則差分信號(hào)回流路徑就有可能選擇兩側(cè)包地。

ü差分信號(hào)底層參考地保持完整的情況下，還需要保證底層參考地平面與源端、接收端之間參考地連接完整及低阻抗，尤其對(duì)于BGA封裝的器件設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性更大。

2頂?shù)讓咏徊娌季€，兩側(cè)包地線做參考平面的方式：

由于成本與性能之間的平衡關(guān)系，兩層板通常會(huì)采用頂?shù)讓咏徊娌季€，兩側(cè)包地線做參考平面的方式。這種設(shè)計(jì)方式往往會(huì)帶來參考地平面換層，甚至出現(xiàn)參考地平面與差分信號(hào)同時(shí)換層的情況。此種設(shè)計(jì)方式需要重點(diǎn)管控參考地平面的完整性，兩側(cè)包地線與底層參考地平面之間的等電位問題，跨分隔的處理也是難點(diǎn)。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

ü差分信號(hào)線兩側(cè)包地線，從源端到接收端保持完整，使返回路徑產(chǎn)生的磁場(chǎng)大部分能夠互相抵消，使輻射最小化。

ü差分信號(hào)換層時(shí)，兩側(cè)包地線也存在換層的情況，差分信號(hào)換層過孔兩側(cè)要伴隨地線換層過孔，使信號(hào)回流路徑同步換層，使輻射最小化。

ü差分信號(hào)本身不需要換層，而由于結(jié)構(gòu)布局布線、芯片PIN排布原因，兩側(cè)包地線需要換層，換層地線需要選擇最小面積路徑回流到主芯片。

ü差分信號(hào)兩側(cè)包地線與系統(tǒng)參考地平面之間，需要通過地過孔連接，形成等電位體，地線過孔的排布、個(gè)數(shù)需要引起特別重視。 ? ?

ü差分信號(hào)對(duì)本身的長度差，兩側(cè)包地線的長度差是磁場(chǎng)互相抵消的重要因素，應(yīng)盡可能保持兩者之間最小的長度差。

審核編輯：黃飛

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