差分信號線的分析和LAYOUT

誤區(qū)二：認為保持等間距比匹配線長更重要。在實際的PCB 布線中，往往不能同時滿足差分設計的要求。由于管腳分布，過孔，以及走線空間等因素存在，必須通過適當?shù)睦@線才能達到線長匹配的目的，但帶來的結果必然是差分對的部分區(qū)域無法平行，其實間距不等造成的影響是微乎其微的，相比較而言，線長不匹配對時序的影響要大得多。再從理論分析來看，間距不一致雖然會導致差分阻抗發(fā)生變化，但因為差分對之間的耦合本身就不顯著，所以阻抗變化范圍也是很小的，通常在10%以內(nèi)，只相當于一個過孔造成的反射，這對信號傳輸不會造成明顯的影響。而線長一旦不匹配，除了時序上會發(fā)生偏移，還給差分信號中引入了共模的成分，降低信號的質(zhì)量，增加了EMI。

可以這么說，PCB 差分走線的設計中最重要的規(guī)則就是匹配線長，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設計要求和實際應用進行靈活處理。同時為了彌補阻抗的匹配可以采用接收端差分線對之間加一匹配電阻。 其值應等于差分阻抗的值。這樣信號品質(zhì)會好些。

所以建議如下兩點：

（A）使用終端電阻實現(xiàn)對差分傳輸線的最大匹配，阻值一般在90～130Ω之間，系統(tǒng)也需要此終端電阻來產(chǎn)生正常工作的差分電壓；

（B）最好使用精度１～2%的表面貼電阻跨接在差分線上，必要時也可使用兩個阻值各為50Ω的電阻，并在中間通過一個電容接地，以濾去共模噪聲。

通常對于差分信號的CLOCK等要求等長的匹配要求是+/-10mils之內(nèi)。

誤區(qū)三：認為差分走線一定要靠的很近。讓差分走線靠近無非是為了增強他們的耦合，既可以提高對噪聲的免疫力，還能充分利用磁場的相反極性來抵消對外界的電磁干擾。雖說這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過彼此的強耦合達到抗干擾和抑制EMI 的目的了。如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？增大與其它信號走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場能量是隨著距離呈平方關系遞減的，一般線間距超過4 倍線寬時，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結構在高頻的（10G 以上）IC 封裝PCB 設計中經(jīng)常會用采用，被稱為CPW 結構，可以保證嚴格的差分阻抗控制（2Z0）。

差分走線也可以走在不同的信號層中，但一般不建議這種走法，因為不同的層產(chǎn)生的諸如阻抗、過孔的差別會破壞差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周圍走線適當?shù)拈g距，串擾就不是個問題。在一般頻率（GHz 以下），EMI也不會是很嚴重的問題，實驗表明，相距500Mils 的差分走線，在3 米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達到60dB，足以滿足FCC 的電磁輻射標準，所以設計者根本不用過分擔心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問題。

4.眼圖

在差分信號的測試當中我們經(jīng)常要遇到一個測試項目是眼圖，也有很多設計初學者都或許聽過眼圖這個測試。但還是有很多不知道眼圖到底是怎么來的。學會看眼圖對于自己的測試和DEBUG是非常有用的。下面介紹下眼圖。

在每一個時鐘周期內(nèi)都會有信號在傳輸。但是如果是一個很長的位流（bits）,那么很難確定這個信號是否符合規(guī)范（specifications）。為了便于分析，那么所有的信號位都可以組成一個信號圖形的話，那么就可以看這個把這些圖形疊加起來看看是否符合規(guī)范。這就是眼圖。

如下圖，假設所有的信號都是在時鐘的上升沿觸發(fā)。那么把所有數(shù)據(jù)信號的波形都按上升沿取出來并疊加在一起。每一個這樣的波形就叫一個SYMPLE。如圖所示的那樣（圖上只取出一個波形來，以便讀者能看清楚），這樣就形成了眼圖的前半截。接著按下降沿取出并疊加在一起，那么就可以形成眼圖的后半截。同時為高電平或低電平的信號波形組成眼圖的上面和下面。這樣就形成了一個標準的眼圖（如下圖）。然后所要做的是按信號規(guī)范在眼圖里定義進去就可以了。

當然下圖是把CLK也表示出來了，實際串行的差分信號是不能在信號線上測到CLOCK的。

下面舉個實例看下，從眼圖上看，這信號質(zhì)量是非常差的。那相對應它的SYMPLE也是可以看得到是很差的信號質(zhì)量，上升沿和下降沿太緩，一致性太差，信號的HIGH LEVEL也不夠，SKEW太大等。

5.差分信號的測量。

輸入連接一般來說，差分放大器或探頭與信號源的互連是產(chǎn)生誤差的最大來源。為了維持輸入的匹配，兩個通道應盡可能一樣。兩個輸入端的任何接線的都應長度相同。如果使用探頭，其型號與長度也應相同。在測量高共模電壓的低頻信號時，應避免使用帶衰減的探頭。在高增益時則完全不能使用這種探頭，因為不可能精地平衡它們的衰減量。當高電壓或高頻率的應用需要衰減時，應使用為差分放大器專門設計的專用無源探頭。這種探頭具有能精密調(diào)整直流衰減和交流補償?shù)难b置。為獲得最佳的性能，每一個特定的放大器都應專用一套探頭，而且要根據(jù)這套探頭附帶的程序針對該放大器進行校準。

一種常用的方法是將+ 和- 輸入纜線成對絞扭在一起。這樣可減少拾取線路頻率干擾和其他噪聲的可能。如果要抓取眼圖的話要跟儀器廠家獲得咨詢，以獲得最新的軟件和夾具。一般這套軟件和夾具是要另外收費的。