什么是差分线?三分钟看懂差分线设计指南

智博2019年2月8日
本文主要了解差分信号的重要特性,优点和应用,以及差分信号的PCB正确布局技巧。

基础知识:单端和差分信号概念
首先,在我们讨论差分信令及其特性之前,我们必须学习一些关于单端信号的基础知识。

单端信号

单端信号是将电信号从发送器传输到接收器的简单且常见的方式。电信号通过电压(通常是变化的电压)传输,该电压以固定电位为基准,通常是称为“接地”的0V节点。

一个导体承载信号,一个导体承载公共参考电位。与信号相关的电流从发送器传送到接收器,并通过接地连接返回电源。如果传输多个信号,电路将需要一个导体用于每个信号加一个共用接地连接; 因此,例如,可以使用17个导体传输16个信号。

单端拓扑

差分信号
差分信号比单端信号不常见,它使用两个互补电压信号来传输一个信息信号。因此,一个信息信号需要一对导体; 一个携带正信号,另一个携带反相信号。

单端与差分:通用时序图

单端与差分:通用时序图

接收器通过检测反相和非反相信号之间的电位差来接收信息。两个电压信号是“平衡的”,意味着它们具有相对于共模电压相等的幅度和相反的极性。与这些电压相关的回路电流也是平衡的,所以可以相互抵消; 因此,我们可以说差分信号(理想情况下)有零电流流过接地连接。
对于差分信号,发送器和接收器不一定共享公共接地参考。然而,差分信号的使用并不意味着发送器和接收器之间的地电位差异对电路的操作没有影响。

如果传输多个信号,则每个信号需要两个导体,并且即使所有信号都是差分的,通常也需要或者至少有益于包括接地连接。因此,例如,发送16个信号将需要33个导体(与单个发送的17个导体相比)。这证明了差分信号传导的明显缺点。

差分信号时序图

差分信号时序图

差分信号拓扑及差分信号的好处


1、没有返回电流

由于我们(理想情况下)没有返回电流,因此接地参考变得不那么重要了。地面电位甚至可以在发送器和接收器处不同,或者在一定的可接受范围内移动。但是,您需要小心,因为直流耦合差分信号(如USB,RS-485,CAN)通常需要共用接地电位,以确保信号保持在接口的最大和最小允许共模电压范围内。

2、抵抗入侵EMI和串扰
如果从差分导体外部引入EMI(电磁干扰)或串扰(即,由附近信号产生的EMI),则将其同等地添加到反相和非反相信号。接收器响应两个信号之间的电压差而不响应单端(即接地参考)电压,因此接收器电路将大大降低干扰或串扰的幅度。
这就是差分信号对EMI,串扰或耦合到差分对的两个信号的任何其他噪声不太敏感的原因。

3、减少输出EMI和串扰
快速转换(例如数字信号的上升沿和下降沿)可能会产生大量的EMI。单端和差分信号都会产生EMI,但差分对中的两个信号会产生(理想情况下)幅度相等但极性相反的电磁场。这与保持两个导体之间紧密接近的技术(例如使用双绞线电缆)相结合,确保来自两个导体的发射将在很大程度上相互抵消。

4、低压工作
单端信号必须保持相对较高的电压,以确保足够的信噪比(SNR)。常见的单端接口电压为3.3 V和5 V.由于差分信号具有更高的抗噪声能力,因此可以使用更低的电压并保持足够的SNR。此外,差分信令的SNR相对于等效的单端实现自动增加了两倍,因为差分接收器的动态范围是差分对内每个信号的动态范围的两倍。
使用较低信号电压成功传输数据的能力具有以下几个重要优点:
①可以使用较低的电源电压,
②较小的电压转换降低辐射EMI,
③降低功耗,并且允许更高的工作频率,
④高或低状态和精确定时。
你有没有想过我们如何确定信号是处于逻辑高电平还是逻辑低电平状态?在单端系统中,我们必须考虑电源电压,接收器电路的阈值特性,可能是参考电压的值。当然,存在变化和容差,这会给逻辑高或逻辑低的问题带来额外的不确定性。
在差分信号中,确定逻辑状态更直接。如果非反相信号的电压高于反相信号的电压,则逻辑高电平。如果非反相电压低于反相电压,则逻辑低。并且两个状态之间的转换是非反转和反转信号相交的点 - 即交叉点。
这就是为什么匹配带有差分信号的导线或走线长度很重要的一个原因:为了获得最大的定时精度,您希望交叉点与逻辑转换完全对应,但是当两个导体不相等时长度,传播延迟的差异将导致交叉点移位。

差分信号主要有哪些应用呢?

目前有许多采用差分信号的接口标准。其中包括:
LVDS(低压差分信号)
CML(电流模式逻辑)
RS485
RS422
以太网络
HDMI
USB
高品质的平衡音频等等
显然,差分信号的理论优势已经在无数现实世界的应用中得到了实际的验证。

关于高速PCB设计有哪些需要注意的呢?

让我们了解差分走线如何在PCB上布线的基础知识。路由差分信号可能有点复杂,但有一些基本规则可以使过程更加简单。

1、长度和长度匹配 - 保持相等!
差分信号(理想地)在幅度上相等并且极性相反。因此,在理想情况下,没有净回流电流将流过地面。这种返回电流的缺失是一件好事,因此我们希望尽可能保持一切理想,这意味着差分对中的两条迹线需要相等的长度。

信号的上升/下降时间越长(不要与信号频率混淆),就越需要确保走线具有相同的长度。我们所使用的EDA设计软件会包含等长这一项功能,可帮助您微调差分对的走线长度。如果你难以达到相同的长度,你可以使用“蛇形等长”技术。

差分等长的实际案例

2、宽度和间距 - 保持不变!
差分导体越接近,信号的耦合就越好。产生的EMI将更有效地抵消,并且接收的EMI将更均匀地耦合到两个信号中。所以尽量把它们放在一起。
您应该尽可能远离相邻信号差分对走线,以避免干扰。应根据目标阻抗选择布线之间的宽度和间距,并在布线的整个长度上保持相等的。因此,如果可能,布线应在PCB周围行进时保持平行。

3、阻抗 - 最小化变化!
在设计具有差分信号的PCB时,最重要的事情之一是找出应用的目标阻抗,然后相应地规划差分对。此外,保持尽可能小的阻抗变化。
差分线的阻抗取决于诸如走线宽度,走线耦合,铜厚度以及PCB材料和层叠等因素。当您尝试避免改变差分对阻抗的任何事情时,请考虑其中的每一个。
不要在平面层上的铜区域之间的间隙上传输高速信号(平面跨分割走线),因为这也会影响阻抗。尽量避免地平面的不连续性。

4、布局建议 - 弄清,理解,解决!
在布线差分走线时,您必须做的一件非常重要的事情:弄清发送或接收差分信号的芯片的数据表和/或应用说明,读取布局建议并分析他们密切合作,这样您可以在特定设计的约束内实现最佳布局。

PCB实战中效果展示图

结论

差分信号使我们能够以更低的电压,良好的SNR,更高的抗噪声能力和更高的数据速率传输信息。另一方面,导体数量增加,系统将需要专门的发射器和接收器而不是标准数字IC。
如今,差分信号是许多标准的一部分,包括以太网,LVDS,USB,CAN,RS-485、EDP和HDMI等等,因此我们都应该(至少)熟悉运用这项技术来更好的布局布线。

内容来源于公众号智博PCB

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