PCB差分信號(hào)設(shè)計(jì)中3個(gè)常見的誤區(qū)

在高速PCB設(shè)計(jì)中，差分信號(hào)（DIFferential Signal）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為什么這樣呢？和普通的單端信號(hào)走線相比，差分信號(hào)有抗干擾能力強(qiáng)、能有效抑制EMI、時(shí)序定位精確的優(yōu)勢(shì)。

差分信號(hào)PCB布線要求

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

1.等長(zhǎng)：等長(zhǎng)是指兩條線的長(zhǎng)度要盡量一樣長(zhǎng)，是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)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(hào)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.阻抗最小變化：在設(shè)計(jì)具有差分信號(hào)的PCB時(shí)，最重要的事情之一是找出應(yīng)用的目標(biāo)阻抗，然后相應(yīng)地規(guī)劃差分對(duì)。此外，保持盡可能小的阻抗變化。差分線的阻抗取決于諸如走線寬度，走線耦合，銅厚度以及PCB材料和層疊等因素。當(dāng)你嘗試避免改變差分對(duì)阻抗的任何事情時(shí)，請(qǐng)考慮其中的每一個(gè)。

PCB差分信號(hào)設(shè)計(jì)中3個(gè)常見的誤區(qū)

誤區(qū)一：認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)方提供回流途徑。

造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。差分電路對(duì)于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)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(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，哪一種就成為主要的回流通路。

在PCB電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10～20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加 EMI，要盡量避免。

另外也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號(hào)，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(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成EMI輻射，這種做法弊大于利。

誤區(qū)二：認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)更重要。

在實(shí)際的PCB布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)的要求。由于管腳分布，過(guò)孔，以及走線空間等因素存在，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長(zhǎng)匹配的目的，但帶來(lái)的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無(wú)法平行。PCB差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長(zhǎng)，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。

誤區(qū)三：認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。

讓差分走線靠近無(wú)非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。雖說(shuō)這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對(duì)的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過(guò)彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制 EMI的目的了。

如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？增大與其它信號(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過(guò)4倍線寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。

此外，通過(guò)地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的（10G以上）IC封裝PCB設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用采用，被稱為 CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制（2Z0）