差分信號線的分析和LAYOUT

誤區(qū)二：認(rèn)為保持等間距比匹配線長更重要。在實(shí)際的PCB 布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長匹配的目的，但帶來的結(jié)果必然是差分對的部分區(qū)域無法平行，其實(shí)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(shí)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(dǎo)致差分阻抗發(fā)生變化，但因?yàn)椴罘謱χg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(dāng)于一個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。同時(shí)為了彌補(bǔ)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(yīng)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(diǎn)：

（A）使用終端電阻實(shí)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(shí)也可使用兩個(gè)阻值各為50Ω的電阻，并在中間通過一個(gè)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(rèn)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(qiáng)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(qiáng)耦合達(dá)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(guān)系遞減的，一般線間距超過4 倍線寬時(shí)，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(jié)構(gòu)在高頻的（10G 以上）IC 封裝PCB 設(shè)計(jì)中經(jīng)常會用采用，被稱為CPW 結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)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?yàn)椴煌膶赢a(chǎn)生的諸如阻抗、過孔的差別會破壞差模傳輸?shù)男Ч?，引入共模噪聲。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(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個(gè)問題。在一般頻率（GHz 以下），EMI也不會是很嚴(yán)重的問題，實(shí)驗(yàn)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(dá)到60dB，足以滿足FCC 的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過分擔(dān)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(dāng)中我們經(jīng)常要遇到一個(gè)測試項(xiàng)目是眼圖，也有很多設(shè)計(jì)初學(xué)者都或許聽過眼圖這個(gè)測試。但還是有很多不知道眼圖到底是怎么來的。學(xué)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都會有信號在傳輸。但是如果是一個(gè)很長的位流（bits）,那么很難確定這個(gè)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(gè)信號圖形的話，那么就可以看這個(gè)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(shè)所有的信號都是在時(shí)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(gè)這樣的波形就叫一個(gè)SYMPLE。如圖所示的那樣（圖上只取出一個(gè)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(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)去就可以了。

當(dāng)然下圖是把CLK也表示出來了，實(shí)際串行的差分信號是不能在信號線上測到CLOCK的。

下面舉個(gè)實(shí)例看下，從眼圖上看，這信號質(zhì)量是非常差的。那相對應(yīng)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(gè)通道應(yīng)盡可能一樣。兩個(gè)輸入端的任何接線的都應(yīng)長度相同。如果使用探頭，其型號與長度也應(yīng)相同。在測量高共模電壓的低頻信號時(shí)，應(yīng)避免使用帶衰減的探頭。在高增益時(shí)則完全不能使用這種探頭，因?yàn)椴豢赡芫仄胶馑鼈兊乃p量。當(dāng)高電壓或高頻率的應(yīng)用需要衰減時(shí)，應(yīng)使用為差分放大器專門設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)难b置。為獲得最佳的性能，每一個(gè)特定的放大器都應(yīng)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(jìn)行校準(zhǔn)。

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(fèi)的。