細(xì)說差分信號

來源：風(fēng)陵渡口話EMC 更新時(shí)間：2024-07-20 閱讀：

一、單端信號與差分信號：

1.1、單端信號與差分信號：

單端信號是使用一根信號線傳輸?shù)?，參考點(diǎn)選擇地平面的信號。也就是說，單端信號是在一根導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地平面之間的電位差。這就要求信號從源端傳遞到接收端，源端與接收端的參考地電位要基本相同。

差分信號是使用兩根線傳輸?shù)男盘?，一根線傳輸正極性信號，一根線傳輸負(fù)極性信號，在接收端通過比較正負(fù)信號的差值，來判斷識別信號。這樣做的好處是，即使信號源端與接收源參考地電位不相同，接收端也能夠正確的識別信號。

1.2、傳輸上的差別：

單端信號是以參考地平面為基準(zhǔn)的，當(dāng)參考地平面流過直流信號時(shí)，從源端到接收端的參考地平面之間幾乎沒有電位差；當(dāng)流過交流信號、大電流信號，尤其是高頻信號時(shí)，從源端到接收端參考地平面之間因?yàn)榧纳姼械拇嬖?，就會產(chǎn)生電位差，電位差的大小受信號工作頻率高低，上升沿/下降沿斜率、工作電流大小、參考地平面寄生電感大小影響。

雖然差分信號兩根信號都是參考地平面的，地平面浮動時(shí)，兩根信號同時(shí)浮動（理想情況下），兩根信號之間的差值幾乎不變，而接收端是識別兩個(gè)信號之間的差值。故差分信號傳輸對參考地平面的要求相比于單端信號要低很多。

信號在傳輸過程中，穿過某個(gè)信號的磁場范圍內(nèi)時(shí)就會在上面產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，對于單端信號產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢直接疊加到信號上，而對于差分信號而言，因?yàn)閮筛€產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相同，兩者差值為零，不會對有用信號產(chǎn)生任何影響。這是為什么差分信號比單端信號抗干擾能力更強(qiáng)的秘密所在。

二、差分信號的優(yōu)缺點(diǎn)：

2.1、差分信號的優(yōu)缺點(diǎn)：

差分信號的優(yōu)點(diǎn)是：差分信號接收端是通過識別兩個(gè)信號之間的差值來做信號判斷，所以基準(zhǔn)地電位的精確性對差分信號影響較小。差分信號第二個(gè)好處是抗干擾能力較強(qiáng)，

本身的EMI輻射也較小。差分信號第三個(gè)好處是在一個(gè)單電源系統(tǒng)里，能夠從容精確地

處理〝雙極〞信號。

2.2、差分信號的缺點(diǎn)：

差分信號要求兩個(gè)信號振幅相等，相位相差180度，極性相反，兩根線等長。接收端是比較兩個(gè)信號差值，所以相位、時(shí)延對差分信號就顯得非常重要了，而單端信號就不存在此問題。

三、差分信號設(shè)計(jì)規(guī)則：

3.1、緊耦原則：

當(dāng)緊密耦合時(shí)，由于兩根線電流大小相等，極性相反；對應(yīng)產(chǎn)生的磁場大小也相等，極性也同樣相反，彼此互相抵消。緊密耦合另一個(gè)好處是，感應(yīng)在兩根線的外部噪聲電壓均以等量的共模噪聲形式出現(xiàn)，在接收端只對差模信號敏感，而對共模信號不敏感，因此接收端抑制了共模噪聲。

3.2、等長等距原則：

差分信號對應(yīng)保持電氣長度相等，兩個(gè)線跡間距在整個(gè)線跡長度上保持一致。間距的變化會引起磁場耦合的不平衡，從而降低磁場消除的效果。除了更大的EMI外，布線間距的變化也會引起信號阻抗變化，從而造成阻抗的不連續(xù)，造成破壞信號完整性的信號反射。

相同的電氣長度布線，可以確保信號在相同的時(shí)間到達(dá)接收端。對于相同長度的差分信號而言，兩個(gè)信號相等且極性相反，因此它們的和則必為零。如果線跡電氣長度不同，那么較短線跡上的信號就會比較長線跡上的信號較早地改變狀態(tài)。嚴(yán)重的情況下，兩個(gè)線跡在某點(diǎn)則會出現(xiàn)驅(qū)動電流相同的情況。當(dāng)兩個(gè)信號相加時(shí)，該總信號在過渡從零電平轉(zhuǎn)移。高頻條件下，這對差分信號通過參考地平面回流到源端，形成環(huán)路天線向外輻射。

3.3、阻抗受控原則：

差分信號阻抗由信號對線跡的物理幾何、它們同鄰近參考層的關(guān)系，以及PCB電介質(zhì)決定，這些幾何形狀必須在整個(gè)線跡長度保持一致。非連續(xù)性就是信號路徑中差分信號的阻抗偏離于其標(biāo)準(zhǔn)值（100±15%），非連續(xù)性可以引起由阻抗不匹配帶來的信號反射，進(jìn)而破壞信號完整性。

3.4、回流路徑完整原則：

對于高頻電路，在相鄰層提供相對完整的參考平面，能夠?yàn)榉祷仉娏魈峁┳钚〉淖杩孤窂?，使信號產(chǎn)生的磁場與返回電流產(chǎn)生的磁場互相抵消，使EMI最小化。跨分隔會導(dǎo)致信號回流路徑面積失控，信號產(chǎn)生的磁場與返回電流產(chǎn)生的磁場不能有效抵消，EMI輻射

較差。由于差分信號對本身的差模環(huán)路不同，感應(yīng)的噪聲大小也不同，共模噪聲在接收端不能有效消除，從而導(dǎo)致信號本身性能指標(biāo)變差。

四、差分信號回流路徑深入分析：

4.1、差分信號回流路徑分析：

差分信號回流路徑錯(cuò)誤認(rèn)知：

大部分電子工程師認(rèn)為差分信號抗干擾能力強(qiáng)、空間輻射小的主要原因，是因?yàn)椴罘中盘枏恼龢O信號經(jīng)傳輸線到負(fù)載端，再經(jīng)負(fù)極信號返回到源端。差分信號電流在一個(gè)閉合的環(huán)路內(nèi)流動，正負(fù)信號幅度相等，方向相反，產(chǎn)生的磁場彼此互相抵消，差分信號返回電流沒有經(jīng)過參考地平面流回源端。

理想狀態(tài)下差分信號返回路徑分析：

實(shí)際上差分信號電流返回路徑同單端信號相同，即D＋信號電流從源端經(jīng)傳輸線到負(fù)載端，再經(jīng)參考平面返回到源端；而D-信號電流從負(fù)載端經(jīng)傳輸線到達(dá)源端，再經(jīng)參考平面返回到負(fù)載端。

理想狀態(tài)情況下，由于差分信號的電流大小相等，極性相反，產(chǎn)生的磁場互相抵消；返回電流大小相等，極性相反，產(chǎn)生的磁場也互相抵消，故差分信號空間輻射極小。

當(dāng)高頻狀態(tài)下源端與接收端參考地電位不相等時(shí)，接收端正負(fù)差分信號相對于參考地平面電位同步抬升或者跌落，而兩者之間差值保持不變，對于接收端信號識別無影響；同理當(dāng)差分信號處于磁場中時(shí)，兩根線產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小相等，差分信號之間的差值仍然保持不變，同樣對信號的傳輸結(jié)果無影響，故差分信號抗干擾能力較強(qiáng)。

4.2、差分信號返回路徑的兩種設(shè)計(jì)形式

多層板差分信號回流路徑設(shè)計(jì)：

多層板設(shè)計(jì)時(shí)差分信號通常會選擇緊鄰的完整地（電源）平面作為電流返回路徑，使其環(huán)路面積最小，信號電流與返回電流產(chǎn)生的磁場互相抵消，空間輻射最小。

雙層板差分信號回流路徑設(shè)計(jì)：

雙層板由于PCB布線密度的問題，幾乎很難完全做到單層布線，另一層做完整參考平面的設(shè)計(jì)方式。通常會選擇差分信號兩側(cè)包地作為差分信號的電流返回路徑，信號電流與返回電流產(chǎn)生的磁場大部分互相抵消，空間輻射也較小。

頂層布線，底層做參考平面的方式：

頂層布線，底層做參考平面的布線方式，乍一看同多層板設(shè)計(jì)方式相同，實(shí)際上卻存在很大差異。具體設(shè)計(jì)要求是：差分信號從源端到接收端全部在頂層完成PCB布線，而整個(gè)差分信號頂層布線軌跡對應(yīng)的底層要保持參考地平面相對完整，為差分信號提供低阻抗的回流路徑。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

對于雙層板要保持差分信號不換層是可以做到的，但是要保持整個(gè)差分信號軌跡對應(yīng)的底層參考地平面完整就十分困難，尤其還需要在保持產(chǎn)品成本優(yōu)勢、通用性的條件下。
對于雙層板要使差分信號選擇底層地平面作回流路徑，則必須保證差分信號頂層布線與兩側(cè)包地距離小于頂?shù)讓又g的板厚，否則差分信號回流路徑就有可能選擇兩側(cè)包地。
差分信號底層參考地保持完整的情況下，還需要保證底層參考地平面與源端、接收端之間參考地連接完整及低阻抗，尤其對于BGA封裝的器件設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性更大。

2頂?shù)讓咏徊娌季€，兩側(cè)包地線做參考平面的方式：

由于成本與性能之間的平衡關(guān)系，兩層板通常會采用頂?shù)讓咏徊娌季€，兩側(cè)包地線做參考平面的方式。這種設(shè)計(jì)方式往往會帶來參考地平面換層，甚至出現(xiàn)參考地平面與差分信號同時(shí)換層的情況。此種設(shè)計(jì)方式需要重點(diǎn)管控參考地平面的完整性，兩側(cè)包地線與底層參考地平面之間的等電位問題，跨分隔的處理也是難點(diǎn)。