信号完整性之差分信号设计

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差分线的设计

差分线的基本概念

差分对是指一对存在耦合的传输线，每条线都可以用简单的单端传输线。这两条线组合在一起就称为“一个差分对“。下图为最常见的差分线对的截面图。

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，这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。优点是抗干扰能力强，缺点是电路比单端传输的复杂，一般在高速信号中， 其电压幅度比较低， 像MIPI DSI规范低速振幅=1200mv， 而高速振幅=200mv， 所以采用上面的单端走线的话抗干扰能力实在太差了， 因此高速（低振幅）大部分是使用差分信号。如下图

差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，那么什么是共模信号呢？当两输入端所接信号大小相等，极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。

实际应用中，温度的变化各种环境噪声的影响时共模噪声，也称为对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声。差分放大电路时直接耦合放大电路的基本组成单元，对于共模信号起到很强的抑制作用，未对差模信号起到放大租用，并且电路的放大能力与输出方式有关。

为了提高信号在高速率、长距离情况下传输的可靠性，大部分高速的数字串行总线都会采用差分信号进行信号传输。差分信号是用一对反相的差分线进行信号传输，发送端采用差分的发送器，接收端相应采用差分的接收器。下图是个差分线的传输模型及真实的差分PCB走线。

采用差分传输方式后，由于差分线对里正负信号的走线是紧密耦合在一起的，所以外界噪声对于两根信号线的影响是一样的。而在接收端，由于其接收器是把正负信号相减的结果做为逻辑判决的依据，因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平的波动，对于最后的逻辑电平判决影响很小。相对于单端传输方式，差分传输方式的抗干扰、抗共模噪声能力大大提高。下图是一个差分传输对共模噪声抑制的一个例子。

采用差分方式进行信号传输会使得收发端的电路变得复杂，系统的功耗也随之上升，但是由于其优异的抗干扰能力以及可靠的传输特性，使得差分传输方式在需要进行高速数字信号的传输或者恶劣工作环境的领域得到了广泛的应用，如LVDS、PCI-E、SATA、USB、HDMI、1394、CAN、Flexray等总线都是采用差分的信号传输方式。

差分讯号的阻抗分析和计算

差分阻抗的基本概念

差分对最重要的电气特性是差分信号的阻抗，称为“差分阻抗”，即差分对对差分信号的阻抗，是差分信号电压与其电流的比值。这个定义是计算差分阻抗的基础，其微妙之处在于怎样定义信号的电压和电流。对差分对来说，若两线离得足够远，则每条线的单端阻抗Z0为50欧姆。流经信号传输线和返回路径之间的电流为：

式中，Ione为流入信号线并从返回路径流出的电流；Vone为信号线与相邻返 回路径的电压；Z0为信号线的单端特性阻抗。传输线上的跳变差分信号是两条信号线上的差信号。它的电压是每条信号线上电压的两倍：2 × Vone。根据阻抗的定义，差分信号的阻抗为:

式中，Zdiff为差分阻抗；Vdiff为电压差或差分信号变化；Ione为流入一条信号线后从其回路流出的电流；Vone为一条信号线与相邻返回通路的电压；Z0为单条线的单端特性阻抗。

无耦合时的差分阻抗

假设两条传输线相隔足够远，比如两线相隔距离至少是线宽的两倍，两条线之间的相互作用就不明显了，这就是无耦合的情况。如果一个差分信号沿差分对传输到达接收终端，那么终端的差分阻抗非常大，差分信号将会反射回源端。这种多次反射就会产生噪声，影响信号质量。下图所示的就是一个差分线末端出现的模拟差分信号。振铃的出现是由于差分信号在低阻抗的驱动器和高阻抗的线端之间的多重反弹。图中差分对互连末端没有端接，并且差分对之间没有耦合，下图为差分电路和差分线对的远端接收信号。

消除反射的一种方法就是在两条信号线的末端跨接一个端接电阻来匹配差分阻抗。对差分信号来说，信号线末端的端接电阻和差分对的阻抗是相同的，这将会消除反射。下图就是在两信号线之间加入100欧姆电阻后，接收端的差分信号。图中差分对末端有端接，并且差分对之间没有耦合，下图为差分对远端接收到的差分信号。

耦合时的差分阻抗

当两条带状线相距越来越近时，它们边缘的电场和磁场会重叠，二者之间的耦合程度也会越来越强。耦合程度用单位长度上的互感电容C12与互感电感L12表示。当把两信号线靠近时，C11和C12都会改变。当信号线1与其返回路径的一些边缘区域被相邻信号线干扰时，C11将减小，C12会增加。但是，负载电容CL= C11+ C12改变不大。下图所示为单位长度上负载电容CL、单位长度对角电容C11及耦合电容C12的变化情况。带状线材料是FR4，线宽5 mil，特性阻抗50欧姆，CL, C11与C12随两线的边缘举例的变化。

当把两信号线靠近时，L11和L12都将发生改变。下图所示为单位长度上环路自感L11的变化和单位长度上环路互感L12随两线的边缘举例的变化。由于相邻导线的感应涡流，L11将会有略微的减小(最近时的减小量小于1％)，L12会增加。L11与L12随两线的边缘举例的变化。

总之，把两条走线放置在一起时，耦合增加。但是，即使在间距更紧密的情况下，间距等于线宽，最大的相对耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小于15%。当间距大于15 mil时，相对耦合减小至1%，基本可忽略不计。下图所示为当两条50欧姆、5 mil的FR4带状线间的间距变化时相对互容和相对互感的随线距的变化，即相对电容耦合与相对电感耦合的比值，如何随间隔的变化而变化。注意，对于带状线这种有相同介质结构的传输线，两传输线的相对耦合电容与相对耦合电感是相同的,间距变化时相对互容和相对互感的变化.

双绞线结构的返回电流分布和差分阻抗

如下是一对屏蔽双绞线的示意图。蓝色线是差分信号线，绿色线径D。黑色⚫是绝缘层，两信号线的间距S由绝缘层的厚度决定。黑色是屏蔽层，R是护套屏蔽层的厚度。

双绞线上有信号传输时，屏蔽层就是返回平面，有返回电流在屏蔽线上流动。和微带线一样，两根信号线各自在屏蔽层上产生的返回电流方向是相反的。如果屏蔽层的厚度足够大（返回平面和信号线距离很大，通常是屏蔽层半径R超过2倍的S时），返回电流大致呈对称分布，相互叠加抵消，屏蔽层对差分信号阻抗没有影响。无屏蔽双绞线的效果和此类似。如果屏蔽层的厚度不是很大（即屏蔽层紧靠双绞线时），屏蔽层中的返回电流会轻微的影响差分阻抗。原因是什么呢？屏蔽层和双绞线靠的太近时，有几率出现双绞线不完全基于中心轴对称布置，导致差分信号在屏蔽层产生的返回电流也非对称，最终会轻微的影响差分阻抗。

总之：针对差分信号

一， 差分信号之间的耦合度比差分信号线与返回平面间的耦合度低时（差分线间距>差分线与返回平面间距），返回平面出现明显的返回电流。返回平面影响到差分阻抗。

二，差分信号之间的耦合度比差分信号线与返回平面间的耦合度高时（差分线间距 <差分线与返回平面间距），返回平面中的绝大部分返回电流叠加、抵消。此时返回平面不影响差分信号，电流等效为从line+传输到负载，再从line-回到源端。< pan>

三，根据经验法则，要使差分信号之间的耦合度高于差分信号与返回平面之间的耦合度，需要差分信号线与返回平面之间的距离大于两信号线间距的2倍。

四，在我们常见的PCB设计中，信号线与返回平面的间距要比两信号线间距小，因此返回平面还是很关键的。在做PCB设计时，差分信号需要返回平面完整。例如在返回平面中出现了间隙，在有间隙那一段，LINE+的返回电流只能靠LINE-传送，导致差分阻抗在此处发生变化。可以通过增加两线间的耦合度，使差分阻抗变化最小。

五，还有一种场景是差分信号经过连接器时，两条信号线之间的耦合度会在连接器处发生变化，具体信息需要仿真得到。

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