作为一名PCB设计工程师,充分理解“差分信号”很重要

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在高速PCB设计中,差分信号的应用越来越广泛,这主要是因为和普通的单端信号走线相比,差分信号具有抗干扰能力强、能有效抑制EMI、时序定位精确的优势。作为一名(准)PCB设计工程师,我们当然需要充分理解差分信号!

关于差分信号

严格意义上来说,所有的电压信号都是“差分”的,因为一个电压总是相对另一个电压而言。但大部分情况下,我们会把“地”做为电压基准点,从而测得另一个电压值,这种信号被称为单端信号。由于是和“地”做比较,单端信号在PCB上的表现通常只有一根导线(Track)。

那什么是差分信号呢?区别于传统的一根信号线一根地线的做法,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相等,相位相差180度,极性相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。

差分信号

差分信号在PCB上的表现会有两根导线(Track)。

导线

差分信号的优缺点

01. 优点

1、抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上,而其差值为0,即:噪声对信号的逻辑意义不产生影响。

2、能有效抑制电磁干扰(EMI)。由于两根线靠得很近且信号幅值相等,这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等,同时他们的信号极性相反,其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。

3、时序定位准确。差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点,作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大,不适合低幅度的信号。

02. 缺点

若电路板的面积非常紧张,单端信号可以只有一根信号线,地线走地平面,而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小,以至于只能穿过一根走线的情况下。

差分信号布线要求

在PCB电路板上,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

1. 等长:等长是指两条线的长度要尽量一样长,是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性。减少共模分量。

2. 等宽、等距:等宽是指两条信号的走线宽度需要保持一致,等距是指两条线之间的间距要保持不变,保持平行。

3. 差分线彼此靠近,靠越近,回路面积越小,走线下面感应电流的回路面积也越小,对EMI控制也好。

4. 差分走线要求在同一板层上,因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声。

提醒:在PCB布线规则中,有一条“关键信号线优先”的原则,即电源、摸拟信号、高速信号、时钟信号、差分信号和同步信号等关键信号优先布线。

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