什么是差分信号？（Differential Signal）详解说明.pdf

一、什么是差分信号 ？ 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。 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，什么另 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： a.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。 b.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。 c.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。下面重点讨论一下 PCB 差分信号设计中几个常见的误区。 GPS电台|差分信号|RTK电台|测绘电台|GPS数传模块|外挂数传电台 购买链接：/h1RU831e 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，那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