信號完整性之差分信號(一)

1什么是差分信號

差分信號是指利用兩個輸出驅(qū)動pin去驅(qū)動兩根傳輸線。這兩根傳輸線，一根傳輸信號，另一根傳輸它的互補信號。接收端看到的信號是這兩條傳輸線上的信號壓差。差分對就是用來傳輸一對差分信號，并且存在耦合關(guān)系的傳輸線。例如LVDS就是一種常見的低壓差差分信號。

差分信號和單端信號比較，有如下特點：

（1）差分信號的總dI/dt比單端信號少，降低EMI噪聲和軌道塌陷。

（2）差分信號在一對緊耦合差分傳輸線上傳輸，對返回路徑的依賴沒那么大。

（3）同樣的，差分信號在通過連接器、接插件時，對返回路徑要求也沒那么高。（單端信號通過連接器、接插件時，受制于返回路徑的影響，可以看上一篇文章）。

（4）使用差分線可以實現(xiàn)遠距離差分信號的傳輸。

（5）差分信號的缺點是，如果設(shè)計不恰當，在差分信號線上有共模信號存在，會帶來額外的EMI問題。

（6）傳輸同樣的數(shù)據(jù)，差分信號需要2根信號線。這意味著電路連接更多、所需PCB面積更大。

下圖是一對差分信號。差分線+和GND之間信號電壓是V1，差分線-和GND之間信號電壓是V2。差分線之間的電壓是Vdiff

差模信號：Vdiff=V1-V2

共模信號：Vcomm=1/2*(V1+V2）

V1=Vcomm+1/2*Vdiff

V2=Vcomm-1/2*diff

這些信號和公式可以用來描述任何一對傳輸線上的信號，即使它們本身不是同一組差分對信號。

下圖是某芯片的LVDS信號定義和其測試波形。

理論上共模信號是恒定的。但實際上，因為PCB設(shè)計、線纜的差異等，都會引起共模信號的改變，并且?guī)韮蓚€問題。

（1）當共模信號過高時，負載端差分接收器的輸入放大器會飽和，使之不能準確讀取差分信號電壓值。

（2）當共模信號有變化時，會引起EMI問題。

2差分對

上面提到差分對就是用來傳輸一對差分信號，并且存在耦合關(guān)系的傳輸線。理論上說，任何兩條傳輸線都可以構(gòu)成一個差分對。下圖是幾種差分對。

雖然任何兩條傳輸線都可以構(gòu)成一個差分對，但是真正的差分信號，為了確保信號完整性，還是需要仔細設(shè)計:

（1）差分對的橫截面積需要恒定不變，確保有恒定的阻抗。它們可以保證信號反射和失真最小。

（2）差分信號的長度要一致，目的是確保每根線上的時延相同。如果差分對的長度不同，會造成差分信號有時延和skew問題，進而導致共模噪聲出現(xiàn)。

（3）差分對的兩條線要完全對稱。例如兩條線的線寬、兩條線到介質(zhì)層的距離要完全相同。再例如果一條線上有測試焊盤，另一條線上沒有測試焊盤，這種不對稱就會帶來共模信號。

（4）差分對的兩條線可以不耦合（這并不常見）。沒有耦合的差分線對抗噪聲的能力會下降。差分線間的耦合程度越強，差分信號就越不容易受到干擾。

（5）差分對信號的最重要電氣特性就是差分阻抗。

3無耦合的差分對阻抗

（一）無耦合的差分對阻抗

差分信號的阻抗是差分信號電壓和電流的比值。

什么樣的差分對算是無耦合的差分對？為了使差分對的耦合降到最小，需要拉大差分對之間的距離，足夠大的距離使差分對之間沒有耦合。例如差分對的線間距至少是線寬的2倍，此時它們之間的耦合關(guān)系就不大了。

假設(shè)差分線中的每根單端線的單端阻抗Z0=50Ω，每根單端線和地平面（返回路徑）之間的電壓差是Vo，流過每根單端線和返回路徑的電流是Io，它們之間的關(guān)系是

Io=Vo/Zo

因為差分線上的信號是反向的。針對差分線+，假設(shè)它的信號是從0V跳變到1V；同時差分線-上，它的信號是從1V跳變到0V。每根線都有一個電流。

流過差分線+的電流是Io=1V/50Ω=20mA。流過差分線-的電流也是20mA，只是電流方向和前者相反。差分線+和差分線-之間的差分信號壓差是1V-（-1V）=2V。差分信號的阻抗是

Zdiff=Vdiff/Io=2V/20mA=100Ω=2*Zo

看起來差分阻抗是單獨阻抗的2倍，當然這僅僅針對無耦合關(guān)系的差分對。

（二）無耦合的差分對端接

差分信號從源端傳輸?shù)截撦d端，如果負載端阻抗很大。差分信號會反射回源端，多次反射就會帶來振鈴問題，影響信號質(zhì)量。如下圖中U1是一顆SOC，U2是一顆DDR。TL1和TL2是SOC和DDR之間的CLK+和CLK-傳輸線。

當R3不連接時，由于差分信號在差分傳輸線上來回反射，會造成信號有振鈴。

如下圖是U2上的CLK+、CLK-、CLK+和CLK-的差分信號波形。

修改電路和PCB，使R3=Zdiff=100歐姆，并且讓R3靠近DDR的時鐘pin放置時（圖中R3接入網(wǎng)絡(luò))，信號質(zhì)量明顯變好。

再例如TI的串行器DU90UB947。它是一顆接收來自SOC的LVDS信號，再將其轉(zhuǎn)換成FPD-LINK信號，通過同軸電纜或者雙絞線傳輸出的芯片。在汽車中控和儀表顯示中，用來連接Head unit和中控屏幕或者儀表屏幕。在947的spec中就提到設(shè)計SOC和947之間的LVDS信號時，需要在靠近947那邊布置100歐姆匹配電阻。