什麼是差分線？三分鐘看懂差分線設計指南

本文主要了解差分信号的重要特性，優點和應用，以及差分信号的PCB正确布局技巧。

基礎知識：單端和差分信号概念

首先，在我們讨論差分信令及其特性之前，我們必須學習一些關于單端信号的基礎知識  。

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單端信号

單端信号是将電信号從發送器傳輸到接收器的簡單且常見的方式。電信号通過電壓（通常是變化的電壓）傳輸，該電壓以固定電位為基準，通常是稱為“接地”的0V節點。

一個導體承載信号，一個導體承載公共參考電位。與信号相關的電流從發送器傳送到接收器，并通過接地連接配接傳回電源。如果傳輸多個信号，電路将需要一個導體用于每個信号加一個共用接地連接配接; 是以，例如，可以使用17個導體傳輸16個信号。

單端拓撲

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差分信号

差分信号比單端信号不常見，它使用兩個互補電壓信号來傳輸一個資訊信号。是以，一個資訊信号需要一對導體; 一個攜帶正信号，另一個攜帶反相信号。

單端與差分：通用時序圖

接收器通過檢測反相和非反相信号之間的電位差來接收資訊。兩個電壓信号是“平衡的”，意味着它們具有相對于共模電壓相等的幅度和相反的極性。與這些電壓相關的回路電流也是平衡的，是以可以互相抵消; 是以，我們可以說差分信号（理想情況下）有零電流流過接地連接配接。

對于差分信号，發送器和接收器不一定共享公共接地參考。然而，差分信号的使用并不意味着發送器和接收器之間的地電位差異對電路的操作沒有影響。

如果傳輸多個信号，則每個信号需要兩個導體，并且即使所有信号都是差分的，通常也需要或者至少有益于包括接地連接配接。是以，例如，發送16個信号将需要33個導體（與單個發送的17個導體相比）。這證明了差分信号傳導的明顯缺點。

差分信号時序圖

差分信号拓撲及差分信号的好處

1、沒有傳回電流

由于我們（理想情況下）沒有傳回電流，是以接地參考變得不那麼重要了。地面電位甚至可以在發送器和接收器處不同，或者在一定的可接受範圍内移動。但是，您需要小心，因為直流耦合差分信号（如USB，RS-485，CAN）通常需要共用接地電位，以確定信号保持在接口的最大和最小允許共模電壓範圍内。

2、抵抗入侵EMI和串擾

如果從差分導體外部引入EMI（電磁幹擾）或串擾（即，由附近信号産生的EMI），則将其同等地添加到反相和非反相信号。接收器響應兩個信号之間的電壓差而不響應單端（即接地參考）電壓，是以接收器電路将大大降低幹擾或串擾的幅度。

這就是差分信号對EMI，串擾或耦合到差分對的兩個信号的任何其他噪聲不太敏感的原因。

3、減少輸出EMI和串擾

快速轉換（例如數字信号的上升沿和下降沿）可能會産生大量的EMI。單端和差分信号都會産生EMI，但差分對中的兩個信号會産生（理想情況下）幅度相等但極性相反的電磁場。這與保持兩個導體之間緊密接近的技術（例如使用雙絞線電纜）相結合，確定來自兩個導體的發射将在很大程度上互相抵消。

4、低壓工作

單端信号必須保持相對較高的電壓，以確定足夠的信噪比（SNR）。常見的單端接口電壓為3.3 V和5 V.由于差分信号具有更高的抗噪聲能力，是以可以使用更低的電壓并保持足夠的SNR。此外，差分信令的SNR相對于等效的單端實作自動增加了兩倍，因為差分接收器的動态範圍是差分對内每個信号的動态範圍的兩倍。

使用較低信号電壓成功傳輸資料的能力具有以下幾個重要優點：

①可以使用較低的電源電壓，

②較小的電壓轉換降低輻射EMI，

③降低功耗，并且允許更高的工作頻率，

④高或低狀态和精确定時。

你有沒有想過我們如何确定信号是處于邏輯高電平還是邏輯低電平狀态？在單端系統中，我們必須考慮電源電壓，接收器電路的門檻值特性，可能是參考電壓的值。當然，存在變化和容差，這會給邏輯高或邏輯低的問題帶來額外的不确定性。

在差分信号中，确定邏輯狀态更直接。如果非反相信号的電壓高于反相信号的電壓，則邏輯高電平。如果非反相電壓低于反相電壓，則邏輯低。并且兩個狀态之間的轉換是非反轉和反轉信号相交的點 - 即交叉點。

這就是為什麼比對帶有差分信号的導線或走線長度很重要的一個原因：為了獲得最大的定時精度，您希望交叉點與邏輯轉換完全對應，但是當兩個導體不相等時長度，傳播延遲的差異将導緻交叉點移位。

差分信号主要有哪些應用呢？

目前有許多采用差分信号的接口标準。其中包括：

LVDS（低壓差分信号）

CML（電流模式邏輯）

RS485

RS422

以太網絡

HDMI

USB

高品質的平衡音頻等等

顯然，差分信号的理論優勢已經在無數現實世界的應用中得到了實際的驗證。

關于高速PCB設計有哪些需要注意的呢？

讓我們了解差分走線如何在PCB上布線的基礎知識。路由差分信号可能有點複雜，但有一些基本規則可以使過程更加簡單。

1、長度和長度比對 - 保持相等！

差分信号（理想地）在幅度上相等并且極性相反。是以，在理想情況下，沒有淨回流電流将流過地面。這種傳回電流的缺失是一件好事，是以我們希望盡可能保持一切理想，這意味着差分對中的兩條迹線需要相等的長度。

信号的上升/下降時間越長（不要與信号頻率混淆），就越需要確定走線具有相同的長度。我們所使用的EDA設計軟體會包含等長這一項功能，可幫助您微調差分對的走線長度。如果你難以達到相同的長度，你可以使用“蛇形等長”技術。

差分等長的實際案例

2、寬度和間距 - 保持不變！

差分導體越接近，信号的耦合就越好。産生的EMI将更有效地抵消，并且接收的EMI将更均勻地耦合到兩個信号中。是以盡量把它們放在一起。

您應該盡可能遠離相鄰信号差分對走線，以避免幹擾。應根據目标阻抗選擇布線之間的寬度和間距，并在布線的整個長度上保持相等的。是以，如果可能，布線應在PCB周圍行進時保持平行。

3、阻抗 - 最小化變化！

在設計具有差分信号的PCB時，最重要的事情之一是找出應用的目标阻抗，然後相應地規劃差分對。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。當您嘗試避免改變差分對阻抗的任何事情時，請考慮其中的每一個。

不要在平面層上的銅區域之間的間隙上傳輸高速信号（平面跨分割走線），因為這也會影響阻抗。盡量避免地平面的不連續性。

4、布局建議 - 弄清，了解，解決！

在布線差分走線時，您必須做的一件非常重要的事情：弄清發送或接收差分信号的晶片的資料表和/或應用說明，讀取布局建議并分析他們密切合作，這樣您可以在特定設計的限制内實作最佳布局。

PCB實戰中效果展示圖

結論

差分信号使我們能夠以更低的電壓，良好的SNR，更高的抗噪聲能力和更高的資料速率傳輸資訊。另一方面，導體數量增加，系統将需要專門的發射器和接收器而不是标準數字IC。

如今，差分信号是許多标準的一部分，包括以太網，LVDS，USB，CAN，RS-485、EDP和HDMI等等，是以我們都應該（至少）熟悉運用這項技術來更好的布局布線。