PCB布局初學(xué)者如何理解差分信號(hào)

什么是差分信號(hào)？ 一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器發(fā)送兩個(gè)相等且相反的信號(hào)，接收器通過(guò)比較兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)是“0”還是“1”。 承載差分信號(hào)的一對(duì)線(xiàn)稱(chēng)為差分線(xiàn)。 如何計(jì)算差分線(xiàn)路阻抗？ 各種差分信號(hào)的阻抗是不同的，比如USB D+D-，差分線(xiàn)阻抗為90歐姆，1394的差分線(xiàn)阻抗為110歐姆。 您最好先查閱規(guī)格或相關(guān)信息。 阻抗計(jì)算工具有很多，比如polar的si9000。 影響差分阻抗的因素包括線(xiàn)寬、差分線(xiàn)間距、介電常數(shù)和介質(zhì)厚度（差分線(xiàn)與參考平面之間的介質(zhì)厚度）。 一般通過(guò)調(diào)節(jié)差分線(xiàn)距和線(xiàn)寬來(lái)控制差分阻抗。 制作電路板時(shí)，制造商還應(yīng)說(shuō)明哪些線(xiàn)應(yīng)控制阻抗。 差分信號(hào)使用數(shù)值來(lái)表示兩個(gè)物理量之間的差異。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能相對(duì)于另一個(gè)電壓。 在某些系統(tǒng)中，系統(tǒng)接地用作電壓參考點(diǎn)。 當(dāng)“地”用作電壓測(cè)量參考時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃稱(chēng)為單端。 我們使用這個(gè)術(shù)語(yǔ)是因?yàn)樾盘?hào)由單個(gè)導(dǎo)體上的電壓表示。

對(duì)于PCB layout工程師來(lái)說(shuō)，最重要的是確保差分布線(xiàn)的這些優(yōu)勢(shì)能夠在實(shí)際布線(xiàn)中得到充分利用。 也許接觸過(guò)Layout的人都會(huì)明白差分布線(xiàn)的一般要求。 PCB的設(shè)計(jì)是“等長(zhǎng)、等距”。 等長(zhǎng)是為了保證兩路差分信號(hào)始終保持相反的極性，減少共模成分； IsometrIC主要用于保證差分阻抗的一致性，減少反射。 “盡可能接近”的原則有時(shí)也是差分路由的要求之一。 差分走線(xiàn)也可以走在不同的信號(hào)層，但一般不推薦，因?yàn)椴煌瑢赢a(chǎn)生的阻抗和過(guò)孔的差異會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч⒁牍材Ｔ肼暋?另外，如果相鄰兩層耦合不緊密，差分走線(xiàn)的抗噪聲能力也會(huì)降低。 不過(guò)，如果差分走線(xiàn)與周?chē)呔€(xiàn)之間的距離合適，串?dāng)_就不會(huì)成為問(wèn)題。 在普通頻率（GHz以下）下，EMI不會(huì)成為嚴(yán)重問(wèn)題。 實(shí)驗(yàn)表明，距離500Mils的差分線(xiàn)在3米外的輻射能量衰減已達(dá)到60dB，足以滿(mǎn)足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)。 因此，設(shè)計(jì)者無(wú)需過(guò)多擔(dān)心差分線(xiàn)耦合不足導(dǎo)致的電磁不兼容問(wèn)題。 然而，所有這些規(guī)則并不難復(fù)制。 許多工程師似乎并不了解高速差分信號(hào)傳輸?shù)谋举|(zhì)。 下面重點(diǎn)介紹PCB板差分信號(hào)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的幾種錯(cuò)誤。

差分走線(xiàn)必須彼此靠近。 閉合差分布線(xiàn)的目的是為了增強(qiáng)它們的耦合，這樣不僅可以提高它們的抗噪聲能力，而且可以充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。 雖然這種方法在大多數(shù)情況下非常有益，但它并不是絕對(duì)的。 如果我們能夠保證它們完全屏蔽外界干擾，那么我們就不需要通過(guò)相互之間的強(qiáng)耦合來(lái)達(dá)到抗干擾和抑制EMI的目的。 如何才能保證差分布線(xiàn)有良好的隔離和屏蔽呢？ 增加線(xiàn)路與其他信號(hào)之間的距離是最基本的方法之一。 電磁場(chǎng)的能量隨著距離的增加呈平方關(guān)系減小。 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)線(xiàn)間距超過(guò)線(xiàn)寬的4倍時(shí)，它們之間的干擾極弱，可以忽略不計(jì)。 另外，地平面的隔離也能起到很好的屏蔽作用。 這種結(jié)構(gòu)常用于高頻（10G以上）IC封裝PCB的設(shè)計(jì)。 稱(chēng)為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制（2Z0）。 PCB組裝和PCB加工廠(chǎng)家介紹PCB Layout初學(xué)者如何理解差分信號(hào)。