差分信号及PCB差分设计中常见的几个误区

差分信号（Differential Signal）在高速电路设计中的应用愈来愈普遍，电路中最关键的信号每每都要采用差分结构设计，什么另它这么倍受青睐呢？在 PCB 设计中又如何能保证其良好的性能呢？ PCB 差分信号设计中常见的误区有哪些？

带着这三个问题，咱们进行下一部分的讨论。 何为差分信号？通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端经过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”仍是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。

差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优点体如今如下三个方面：

a.抗干扰能力强，由于两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，因此外界的共模噪声能够被彻底抵消。

b.能有效抑制 EMI，一样的道理，因为两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场能够相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。

c.时序定位精确，因为差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，于是受工艺，温度的影响小，能下降时序上的偏差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的 LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。

下面重点讨论一下 PCB 差分信号设计中几个常见的误区。

误区一：认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。

造成这种误区的原因是被表面现象迷惑，或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。虽然差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号不敏感，但地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径。其实在信号回流分析上，差分走线和普通单端走线的机理是一致的，即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流，最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外，还存在相互之间的耦合，哪一种耦合强，哪一种就成为主要的回流通路。

在PCB电路设计中，一般差分走线之间的耦合较小，往往只占10~20%的耦合度，更多的还是对地的耦合，所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路。尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加EMI，要尽量避免。也有些设计人员认为，可以去掉差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的部分共模信号，但从理论上看这种做法是不可取的，阻抗如何控制？不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成EMI辐射，这种做法弊大于利。

误区二：认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中，往往不能同时满足差分设计的要求。

由于管脚分布、过孔以及走线空间等因素存在，必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的，但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行，其实间距不等造成的影响是微乎其微的，相比较而言，线长不匹配对时序的影响要大得多。再从理论分析来看，间距不一致虽然会导致差分阻抗发生变化，但因为差分对之间的耦合本身就不显著，所以阻抗变化范围也是很小的，通常在10%以内，只相当于一个过孔造成的反射，这对信号传输不会造成明显的影响。而线长一旦不匹配，除了时序上会发生偏移，还给差分信号中引入了共模的成分，降低信号的质量，增加了EMI。

可以这么说，PCB差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长，其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。

误区三：认为差分走线一定要靠的很近。

让差分走线靠近无非是为了增强他们的耦合，既可以提高对噪声的免疫力，还能充分利用磁场的相反极性来抵消外界的电磁干扰。虽说这种做法在大多数情况下是非常有利的，但不是绝对的。如果能保证让它们得到充分的屏蔽，不受外界干扰，那么我们也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制EMI的目的了。

误区四：差分曼切斯特编码并不是差分信号的一种。

它指的是用在每一位开始时的电平跳变来表示逻辑状态“0”，不跳变来表示逻辑状态“1”。但每一位中间的跳变是用来做同步时钟，没有逻辑意义。

误区五：双绞线上面走的不一定是差分信号，单端信号在双绞线上的电磁辐射也比平行走线的辐射小。