差分線對(duì)PCB設(shè)計(jì)

差分線對(duì)的PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

差分線對(duì)是指一對(duì)存在耦合的傳輸線。差分信號(hào)的傳輸是利用兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)差分線對(duì)，一根攜帶信號(hào)，另一根攜帶它的互補(bǔ)信號(hào)。我們需要的就是差分線對(duì)間的電壓差，它攜帶著要傳輸?shù)男畔ⅰ?br/>

一、差分信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

差分信號(hào)傳輸與單端信號(hào)傳輸相比有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消；

（2）能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少；

（3）時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路設(shè)計(jì)。

對(duì)于PCB工程師來說，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際布線中能完全發(fā)揮差分信號(hào)的優(yōu)勢。接觸過PCB設(shè)計(jì)的人都會(huì)了解差分布線的一般要求，那就是“等長、等距”。但所有這些規(guī)則都不是用來生搬硬套的，不少工程師似乎還沒有對(duì)差分線對(duì)的實(shí)際設(shè)計(jì)處理做過深入分析。下面就重點(diǎn)討論一下PCB差分信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見的要點(diǎn)。

二、差分線對(duì)PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1等長

等長是為了使每根線上的信號(hào)傳輸時(shí)延相同，來確保兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)刻保持極性相反。兩條傳輸線上的任何時(shí)延差別都會(huì)使部分差分信號(hào)變成共模信號(hào)，嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量。等長就是使差分線對(duì)的兩根信號(hào)線布線長度盡量相同。通常對(duì)于高速差分信號(hào)等長的匹配要求是±10 mils之內(nèi)。當(dāng)然，這是一個(gè)較高的要求，真實(shí)的數(shù)值我們可以通過信號(hào)允許錯(cuò)位（skew，芯片手冊(cè)上可以查到）和信號(hào)傳輸時(shí)延（一般180皮秒每英寸）來計(jì)算。

由于器件布局、引腳分布等原因，直接布線生成的差分線對(duì)大多數(shù)情況都不等長，這就需要進(jìn)行手動(dòng)繞線。手動(dòng)繞線一般在芯片引腳處進(jìn)行，目的是減少差分線對(duì)阻抗不連續(xù)點(diǎn)。圖1展示了兩種常用的繞線方式。

2.2等距

等距是為了保證差分線對(duì)之間差分阻抗的連續(xù)性，減少反射。差分阻抗是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)，如果不連續(xù),就會(huì)影響信號(hào)完整性。差分阻抗可以看做兩個(gè)單端信號(hào)線的等效阻抗串聯(lián)，通常單端信號(hào)線的等效阻抗為50?，所以一般情況下差分阻抗都應(yīng)保持在100?。等距就是使差分線對(duì)間的距離保持相等（即平行走線），保證差分線對(duì)全程的差分阻抗不改變。

差分阻抗和差分線對(duì)的線寬、線間距、印制板層疊順序、介質(zhì)的介電常數(shù)等諸多參數(shù)有關(guān)，其中某些參數(shù)只有印制板生產(chǎn)廠商才能提供，因此印制板設(shè)計(jì)者應(yīng)與生產(chǎn)廠商共同協(xié)商決定線間距等參數(shù)。值得注意的是，一個(gè)差分信號(hào)在多層PCB的不同層傳輸時(shí)(特別是內(nèi)外層都走線時(shí))，要及時(shí)調(diào)整線間距來補(bǔ)償因?yàn)榻橘|(zhì)的介電常數(shù)變化帶來的特性阻抗變化。與不等長相比，不等距對(duì)信號(hào)完整性的影響較小。當(dāng)?shù)乳L與等距規(guī)則沖突時(shí)，應(yīng)優(yōu)先滿足等長。

2.3差分線對(duì)與印制板層疊

PCB板的層疊設(shè)置和信號(hào)的耦合以及屏蔽都有著密切的關(guān)系。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為差分線對(duì)彼此為對(duì)方提供回流途徑，因此差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，這是一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10%～20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。在PCB設(shè)計(jì)中，差分信號(hào)要求至少緊鄰一個(gè)地平面，兩側(cè)都能緊鄰地平面最好。推薦層疊方式如圖2所示，信號(hào)質(zhì)量從左到右依次降低，但都能滿足基本要求。

同高速單端線路一樣，差分線對(duì)也對(duì)參考地平面有完整性要求。即差分線對(duì)經(jīng)過的路徑上，其參考地平面必須保證連續(xù)，不能出現(xiàn)分割，如圖3所示。

2.4差分線對(duì)與其它信號(hào)的距離

控制差分線對(duì)和其它信號(hào)間的距離，可以有效減少其它信號(hào)對(duì)差分線對(duì)的干擾和抑制EMI。我們知道，電磁場能量是隨著距離平方遞減的，一般差分線對(duì)和其它信號(hào)間的距離大于差分線寬的4倍或差分線對(duì)間距的3倍（取其數(shù)值大者）以上時(shí)，它們之間的影響就極其微弱了，基本可以忽略。公式如下：

L>4w且L>3d，其中，L：差分線對(duì)和其它信號(hào)間的距離；w：差分線的線寬；d：差分線對(duì)的線間距。

這里，其它信號(hào)包括其它差分線、單端線、信號(hào)平面等。同時(shí)，差分線對(duì)和其參考平面邊沿的距離也應(yīng)按照上述方式進(jìn)行計(jì)算，這樣做的目的是保證兩條差分線的對(duì)稱性，減少共模噪聲，如圖4所示。

2.5差分線對(duì)的端接

給差分線對(duì)增加端接電阻是保證差分傳輸線阻抗匹配的一種有效方法。終端匹配電阻的控制要根據(jù)不同的邏輯電平接口，來選擇適當(dāng)?shù)碾娮杈W(wǎng)絡(luò)和負(fù)載并聯(lián)，以達(dá)到阻抗匹配的目的。目前最常用的差分信號(hào)有LVDS和LVPECL兩種，下面就分別介紹這兩種信號(hào)的端接方式。

（1）LVDS信號(hào)：LVDS是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，其傳輸速率一般在幾百M(fèi)b/s以上。LVDS信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器由1個(gè)驅(qū)動(dòng)差分線的電流源組成，通常電流為3.5 mA。端接電阻一般只要跨接在正負(fù)兩路信號(hào)的中間就可以了，如圖5所示。

（2）LVPECL信號(hào)：LVPECL電平信號(hào)也是適合高速傳輸?shù)牟罘中盘?hào)電平之一，其傳輸速率可達(dá)到1 Gb/s。它的每一單路信號(hào)都有一個(gè)比信號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓小2 V的直流電位，因此應(yīng)用終端匹配時(shí)不能在正負(fù)兩條差分線之間跨接電阻，而只能將每一路進(jìn)行單端匹配，如圖6所示。

要注意的是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，很多器件生產(chǎn)商已經(jīng)可以把終端匹配電阻做到器件內(nèi)部（在芯片手冊(cè)上可以查到），以減少PCB設(shè)計(jì)者的工作。此時(shí)就不能再進(jìn)行端接了，否則反而會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。

2.6其它要注意的問題

在進(jìn)行差分線對(duì)的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)注意以下問題：盡量減少使用過孔和其他一些引起阻抗不連續(xù)的因素；不要使用90°折線，可用圓弧或45°折線代替；必要時(shí)在不同差分線對(duì)之間加地平面隔離以防止相互問的串?dāng)_；

不要只是保證走線總長度相等，而是盡量做到走線的每一段都相等（針對(duì)阻抗不連續(xù)點(diǎn)劃分，如插座）；如非必要，盡量不要在差分線上增加測試焊盤。

總結(jié)

差分線對(duì)以其優(yōu)異的性能逐漸成為高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的常用手段。在高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)中，運(yùn)用差分線對(duì)傳輸高速信號(hào)，一方面在對(duì)PCB系統(tǒng)的信號(hào)完整性和低功耗等方面大有裨益，另一方面也給的PCB設(shè)計(jì)者的水平提出了更高要求。作為PCB設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該深刻理解傳輸線理論的有關(guān)概念，仔細(xì)分析各種畸變現(xiàn)象的原因，找出合理有效的解決辦法；還要不斷把工作中積累的一些經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，才能夠取得滿意的設(shè)計(jì)效果。

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