PCB科技 - PCB差分訊號設計中的誤區

差分訊號和 PCB設計 several common misunderstandings in differential signal

差分訊號（Differential signal）在高速電路設計中的應用越來越廣泛。 電路中最關鍵的訊號通常採用差分結構設計。 是什麼讓它如此受歡迎？ 如何確保其在PCB設計中具有良好的效能？ 有了這兩個問題，我們進入下一部分的討論。 什麼是差分訊號？ 用外行的話說，驅動端發送兩個相等和反向的訊號，接收端通過比較兩個電壓之間的差异來判斷邏輯狀態“0”或“1”。 攜帶差分訊號的一對記錄道稱為差分記錄道。

與普通單端訊號道相比，差分訊號在以下3個方面具有最明顯的優勢：

1、抗干擾能力强，因為兩條差分記錄道之間的耦合非常好。 當存在來自外部的雜訊干擾時，它們幾乎同時耦合到兩條線路，接收端只關心兩個訊號之間的差异。 囙此，可以完全消除外部共模雜訊。

2、能有效抑制電磁干擾。 出於同樣的原因，由於兩個訊號的極性相反，它們輻射的電磁場可以相互抵消。 耦合越緊密，釋放到外部世界的電磁能量越少。

3、定時定位準確。 由於差分訊號的開關變化位於兩個訊號的交叉點，與普通單端訊號不同，普通單端訊號依靠高閾值電壓和低閾值電壓來確定，它受過程和溫度的影響較小，並且可以减少定時誤差。， 但也更適用於低幅度訊號電路。 當前流行的LVDS（低壓差分訊號）就是指這種小幅度差分訊號科技。

對於PCB工程師來說，最關心的是如何確保在實際佈線中充分利用差分佈線的這些優勢。 也許任何接觸過佈局的人都會理解差動佈線的一般要求，即“等長等距”。 等長是為了確保兩個差分訊號始終保持相反的極性，並减少共模分量； 等距主要是為了確保兩者的差分阻抗一致並减少反射。 “盡可能靠近”有時是差動接線的要求之一。 但所有這些規則都沒有被機械地應用，許多工程師似乎仍然不理解高速差分訊號傳輸的本質。

以下重點介紹PCB差分訊號設計中的幾個常見誤解。

誤解1：人們認為差分訊號不需要接地層作為返回路徑, 或者差分記錄道為彼此提供了返回路徑. 造成這種誤解的原因是他們被表面現象所迷惑, 或者高速訊號傳輸機制不够深入. 差分電路對電源和接地層上可能存在的類似地面反彈和其他雜訊訊號不敏感. 接地層的部分回波抵消並不意味著差分電路不使用基準面作為訊號回波路徑. 事實上, 在訊號返回分析中, 差動接線和普通單端接線的機理相同, 那就是, 高頻訊號總是沿著電感最小的回路回流. 最大的區別是除了對地的耦合之外, 差動線路也具有相互耦合. 哪種耦合很强, 哪一條成為主要的返回路徑. 在裡面 PCB電路板 設計, 差分記錄道之間的耦合通常很小, 通常僅占耦合度的10-20%, 更重要的是與地面的耦合, 囙此，微分軌跡的主返回路徑仍然存在於平地上. 當地平面中存在不連續性時, 無基準面區域中差分記錄道之間的耦合將提供主返回路徑, 雖然基準面的不連續性對普通單端記錄道上的微分記錄道沒有影響，但情况嚴重, 但它仍然會降低差分訊號的質量並新增EMI, 應盡可能避免. 一些設計人員認為，可以移除差分軌跡下的基準面，以抑制差分傳輸中的一些共模訊號. 然而, 這種方法在理論上是不可取的. 如何控制阻抗? 不為共模訊號提供接地阻抗回路將不可避免地導致EMI輻射. 這種做法弊大於利.

誤解2：人們認為保持等間距比匹配線長度更重要. 在實際中 PCB佈局, 通常不可能同時滿足差速器設計的要求. 由於引脚分佈等因素的存在, 過孔, 和佈線空間, 線路長度匹配的目的必須通過適當的繞組來實現, 但結果必然是差分對的某些區域不能平行. PCB差分跡線設計中最重要的規則是匹配線長度. 其他規則可根據設計要求和實際應用靈活處理.

誤解3：認為差動接線必須非常接近。 保持差分軌跡接近無非是為了增强它們的耦合，這不僅可以提高抗噪性，而且可以充分利用磁場的相反極性來抵消對外部世界的電磁干擾。 雖然這種方法在大多數情况下非常有益，但它不是絕對的。 如果我們能够確保它們完全免受外部干擾，那麼我們就不需要使用强耦合來實現抗干擾。 以及抑制電磁干擾的目的。 我們如何確保差分記錄道的良好隔離和遮罩？ 新增與其他訊號軌跡的間距是最基本的方法之一。 電磁場能量隨距離的平方而减小。 通常，當行距超過線寬的4倍時，它們之間的干擾極為微弱。 可以忽略。 此外，通過接地層隔離也可以起到良好的遮罩作用。 這種結構通常用於高頻（10G以上）IC封裝PCB設計。 它被稱為共面波導結構，可以確保嚴格的差分阻抗。 控制（2Z0）。

差分記錄道也可以在不同的訊號層中運行，但通常不建議使用這種方法，因為不同層產生的阻抗和過孔的差异將破壞差分模式傳輸的效果，並引入共模雜訊。 此外，如果相鄰兩層不緊密耦合，則會降低差分記錄道抵抗雜訊的能力，但如果可以與周圍記錄道保持適當距離，則串擾不是問題。 在一般頻率（低於GHz）下，EMI不會是一個嚴重的問題。 實驗表明，距離差分軌跡500 mil處的輻射能量衰减在3米處達到60dB，足以滿足FCC電磁輻射標準，囙此設計者不必太擔心差分線耦合不足引起的電磁不相容。