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【技术共享】详解差分信号及PCB差分设计中几个误区

编辑: pcb 2018-11-30


PCB网城讯  差分传输是一种信号传输的技术,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同,相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。在电路板上,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。


从严格意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里,"系统地"被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时,这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。 另一方面,一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要,这两个电压的平均值还是会经常保持一致。


可以想象,这两个导体上被同时加入的一个相等的电压,也就是所谓共模信号,对一个差分放大系统来说是没有作用的,也就是说,尽管一个差分放大器的输入有效信号幅度只需要几毫伏,但它却可以对一个高达几伏特的共模信号无动于衷。这个指标叫做差分放大器的共模抑制比(CMRR),一般的运算放大器可以达到90db以上,高精度运放甚至达到120db。因为干扰信号一般是以共模信号的形式存在,所以差分信号的应用极大地提高了放大器系统的信噪比。


差分信号(DifferenTIal Signal)在高速电路设计中的应用越来越广泛,电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计,什么令它这么倍受青睐呢?在PCB设计中又如何能保证其良好的性能呢?带着这两个问题,我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,接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“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,最明显的优势体现在以下三个方面:



1.抗干扰能力强因为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,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。


2.能有效抑制EMI。同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能量越少。


3.时序定位精确。由于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,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,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。


对于PCB工程师来说,最关注的还是如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求,那就是“等长、等距”。等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;等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致,减少反射。“尽量靠近原则”有时候也是差分走线的要求之一。但所有这些规则都不是用来生搬硬套的,不少工程师似乎还不了解高速差分信号传输的本质。



布线策略


布线非常靠近的差分信号对相互之间也会互相紧密耦合,这种互相之间的耦合会减小EMI发射,差分信号线的主要缺点是增加了PCB的面积。本文介绍电路板设计过程中采用差分信号线布线的布线策略。 众所周知,信号存在沿信号线或者PCB线下面传输的特性,即便我们可能并不熟悉单端模式布线策略,单端这个术语将信号的这种传输特性与差模和共模种信号传输方式区别开来,后面这两种信号传输方式通常更为复杂。


差分和共模方式


差模信号通过一对信号线来传输。一个信号线上传输我们通常所理解的信号;另一个信号线上则传输一个等值而方向相反(至少在理论上是这样)的信号。差分和单端模式最初出现时差异不大,因为所有的信号都存在回路。


单端模式的信号通常经由一个零电压的电路(或者称为地)来返回。差分信号中的每一个信号都要通过地电路来返回。由于每一个信号对实际上是等值而反向的,所以返回电路就简单地互相抵消了,因此在零电压或者是地电路上就不会出现差分信号返回的成分。


共模方式是指信号出现在一个(差分)信号线对的两个信号线上,或者是同时出现在单端信号线和地上。对这个概念的理解并不直观,因为很难想象如何产生这样的信号。这主要是因为通常我们并不生成共模信号的缘故。共模信号绝大多数都是根据假想情况在电路中产生或者由邻近的或外界的信号源耦合进来的噪声信号。共模信号几乎总是“有害的”,许多设计规则就是专为预防共模信号出现而设计的。


差分信号线的布线


通常(当然也有一些例外)差分信号也是高速信号,所以高速设计规则通常也都适用于差分信号的布线,特别是设计传输线这样的信号线时更是如此。这就意味着我们必须非常谨慎地设计信号线的布线,以确保信号线的特征阻抗沿信号线各处连续并且保持一个常数。


在差分线对的布局布线过程中,我们希望差分线对中的两个PCB线完全一致。这就意味着,在实际应用中应该尽最大的努力来确保差分线对中的PCB线具有完全一样的阻抗并且布线的长度也完全一致。差分PCB线通常总是成对布线,而且它们之间的距离沿线对的方向在任意位置都保持为一个常数不变。通常情况下,差分线对的布局布线总是尽可能地靠近。


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。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是不敏感的。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,差分走线和普通的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。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对外界的电磁干扰。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。


如何才能保证差分走线具有良好的隔离和屏蔽呢?增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一,电磁场能量是随着距离呈平方关系递减的,一般线间距超过4倍线宽时,它们之间的干扰就极其微弱了,基本可以忽略。此外,通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用,这种结构在高频的(10G以上)IC封装PCB设计中经常会用采用,被称为 CPW 结构,可以保证严格的差分阻抗控制(2Z0)。



差分走线也可以走在不同的信号层中,但一般不建议这种走法,因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果,引入共模噪声。此外,如果相邻两层耦合不够紧密的话,会降低差分走线抵抗噪声的能力,但如果能保持和周围走线适当的间距,串扰就不是个问题。在一般频率(GHz 以下),EMI也不会是很严重的问题,实验表明,相距500Mils的差分走线,在3米之外的辐射能量衰减已经达到 60dB,足以满足FCC的电磁辐射标准,所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。


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。


来源:射频百花潭


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