差分線的基礎(chǔ)知識(shí)

整個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)體系中，差分線（對(duì)）是很難搞的部分，卻是最常用的部分。說(shuō)到差分線基礎(chǔ)知識(shí)，里面的概念很多，記得剛接觸的時(shí)候，奇模&共模有時(shí)候會(huì)搞不清楚。話不多說(shuō)，直接上圖：

01概念

差分線從理論上說(shuō)，可以是任意兩根傳輸線。

最初的時(shí)候，曾有疑惑：距離很遠(yuǎn)的兩根傳輸線呢？實(shí)際工作中，很多高速線都是差分線，更多的是利用其抗干擾的能力。既然講到抗干擾，那是不是盡量保證兩根線的周圍環(huán)境一致。

所以，差分線的定義：兩條存在耦合且平行等長(zhǎng)的兩根傳輸線，用來(lái)傳輸相位差180度的信號(hào)。

02差分阻抗

差分線本身沒(méi)有什么特別，決定它們特性的是這兩條傳輸線上的信號(hào)傳輸方式。差分線除了傳輸差分信號(hào)，還有共模信號(hào)，前一種是大小相等方向相反的驅(qū)動(dòng)電壓，后一種是相等方向相同的驅(qū)動(dòng)電壓。

為了方便理解，針對(duì)差分阻抗的特性，搭建相關(guān)鏈路：

Vdiff = V1–V2 Vdiff 表示差分線號(hào)

Vcomm= (V1+V2) Vcomm表示共模信號(hào)

V1表示線1相對(duì)于其返回路徑的信號(hào)電壓

V2表示線2相對(duì)于其返回路徑的信號(hào)電壓

從仿真結(jié)果看出：相同電平的幅值，差分線的峰峰值是單端線的兩倍。單端線的基準(zhǔn)是地平面，外界的干擾差異會(huì)很大；而差分線的基準(zhǔn)是彼此，對(duì)共模干擾有很好的抑制。

差分線最重要的電特性就是對(duì)差分信號(hào)的阻抗，稱為差分阻抗。

以Z=V/I來(lái)推算：

Z0單端信號(hào)線的特性阻抗

差分阻抗還可以看成兩條單端信號(hào)線等效阻抗的串聯(lián)：

Zdiff = Z0 +Z0 = 2 x Z0

Zdiff 表示兩條信號(hào)線之間的等效阻抗（即差分阻抗）

Z0 表示每條信號(hào)線與返回路徑之間的阻抗

上面計(jì)算方法可以得出差分阻抗，由差分阻抗引出兩種模態(tài)：

奇模阻抗

奇模阻抗與差分阻抗有直接的關(guān)系。差分阻抗是差分信號(hào)受到的阻抗，奇模阻抗是傳輸線處于奇模狀態(tài)時(shí)每條信號(hào)線的阻抗。

偶模阻抗

共模信號(hào)使差分對(duì)處于偶模狀態(tài)。當(dāng)傳輸線上傳播共模信號(hào)時(shí)，此時(shí)每條線的特性阻抗稱為偶模特性阻抗。

對(duì)于共模信號(hào)而言，阻抗是每條線特性阻抗的并聯(lián)。兩個(gè)偶模阻抗的并聯(lián)阻值：

Zcomm表示共模阻抗

Zeven表示當(dāng)差分對(duì)處于偶模狀態(tài)時(shí)每條線的特性阻抗

信令方案有多種，最常用的就是LVDS低壓差分信號(hào)。

需要注意的是：LVDS 信號(hào)不僅有差分信號(hào)還有共模信號(hào)，只不過(guò)默認(rèn)共模信號(hào)是沒(méi)有變化的直流。

除了常規(guī)的線寬線距，介質(zhì)厚度等因素對(duì)差分阻抗的影響。最近有寫(xiě)阻焊相關(guān)的發(fā)明，發(fā)現(xiàn)隨著阻焊層厚度的增加，緊耦合的情況下，阻焊層對(duì)奇模阻抗影響比較大，差分阻抗偏離值高達(dá)10%。設(shè)計(jì)表面層信號(hào)線差分阻抗時(shí)要考慮阻焊層的原因，這也是為什么差分線建議走內(nèi)層的原因之一。

上面講的概念都是無(wú)耦合的情況，如果考慮耦合，就引入了共模干擾的問(wèn)題。

03

耦合

寫(xiě)到耦合的時(shí)候，想起之前有和同事聊過(guò)：關(guān)于差分線，因?yàn)橄嗷ヱ詈希粭l線的返回路徑可不可以是另外一條線？

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。這是沒(méi)有任何問(wèn)題的。

其實(shí)上面說(shuō)差分線的一條線的返回電流由另一條線傳輸，還有一個(gè)前提條件：當(dāng)信號(hào)線與返回路徑平面之間的距離大于等于兩條信號(hào)線距離（包含線寬）。

但是共模信號(hào)怎么辦？不給共模信號(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成EMI 輻射，引入電磁干擾。相互作為回流路徑的做法弊大于利。

在實(shí)際工作中，大多數(shù)板級(jí)互連中，信號(hào)線與平面之間的耦合度遠(yuǎn)大于兩條信號(hào)線之間的耦合度，所以此時(shí)平面的返回電流十分重要。此時(shí)，第一條信號(hào)線的返回電流不能看成由第二條信號(hào)線運(yùn)送。

線間距3倍線寬（3W）的情況，耦合很小，可以忽略?？紤]兩條線之間的耦合，當(dāng)線間距的減小，奇模阻抗減小，偶模阻抗增加，對(duì)應(yīng)的差分阻抗減小，共模阻抗增加。相對(duì)于3W的情況，差分阻抗減小了約12%。

遠(yuǎn)端串?dāng)_

如果差分對(duì)為同介質(zhì)的，比如帶狀線，兩種模態(tài)的傳播速度相同，差分對(duì)就不會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)端噪聲。如果差分對(duì)為不同介質(zhì)的，比如微帶線，那么奇模的有效介電常數(shù)比偶模小，奇模有更快的傳播速度。差分信號(hào)分量比共模分量先到達(dá)末端，相互間造成遠(yuǎn)端噪聲。

緊耦合與松耦合

下圖為阻抗計(jì)算軟件算出差分阻抗為85 ?，線間距差別比較大：

一般松耦合經(jīng)驗(yàn)值為線間距大于2倍的線寬

返回平面受損時(shí)，例如在雙絞線電纜、帶狀電纜、連接器和一些集成電路封裝中，使用緊耦合。緊耦合對(duì)減小串?dāng)_有很強(qiáng)的作用。

緊耦合情況下，差分阻抗和共模阻抗受耦合的影響依然很小。在最緊耦合下，差分阻抗僅減小了10%。

一般規(guī)則：高速率產(chǎn)品，損耗要求較嚴(yán)，應(yīng)當(dāng)使用松耦合的差分對(duì)。消費(fèi)類產(chǎn)品，成本要求較嚴(yán)，應(yīng)使用緊耦合的差分對(duì)。

04共模信號(hào)

我們主要用差分線傳輸差分信號(hào)，但在實(shí)際的鏈路中，任何不對(duì)稱因素（串?dāng)_、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)位、線長(zhǎng)偏差及不對(duì)稱的負(fù)載等）都會(huì)使部分差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為共模信號(hào)。

共模信號(hào)的產(chǎn)生及改變，危害就是會(huì)引起誤碼，引入過(guò)量電磁干擾。消費(fèi)類的產(chǎn)品，一般都進(jìn)行相關(guān)電磁輻射測(cè)試，這就需要我們?cè)趯?shí)際工作中進(jìn)行管控。如何使共模信號(hào)的影響降到最?。?/p>

1.鏈路做到盡量對(duì)稱。過(guò)孔轉(zhuǎn)換&等長(zhǎng)匹配&出Pin區(qū)域等。

2.增加共模信號(hào)扼流器CMC(Common mode Choke)，起到EMI濾波的作用，用于抑制高速信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

實(shí)際應(yīng)用

講到電磁干擾，還有一種情況需要說(shuō)明：雙絞線是否使用屏蔽？

屏蔽對(duì)差分阻抗影響其實(shí)不大，屏蔽的重要作用在于為共模電流提供一個(gè)返回路徑，從而減小它的輻射效應(yīng)。

審核編輯：湯梓紅