差分信號(hào)PCB布局布線時(shí)的幾個(gè)常見誤區(qū)

誤區(qū)一：認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。雖然差分電路對(duì)于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路。

在PCB 電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10~20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路。盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒有對(duì)普通的單端走線來的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加EMI，要盡量避免。也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號(hào)，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制?不給共模信號(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成EMI 輻射，這種做法弊大于利。

所以要保持PCB地線層返回路徑寬而短。盡量不要跨島(跨過相鄰電源或地層的分隔區(qū)域。)比如主板設(shè)計(jì)中的USB和SATA及PCI-EXPRESS等最好不要有跨島的做法。保證這些信號(hào)的下面是個(gè)完整地平面或電源平面。

誤區(qū)二：認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)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(zhǎng)匹配的目的，但帶來的結(jié)果必然是差分對(duì)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(zhǎng)不匹配對(duì)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(huì)導(dǎo)致差分阻抗發(fā)生變化，但因?yàn)椴罘謱?duì)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(dāng)于一個(gè)過孔造成的反射，這對(duì)信號(hào)傳輸不會(huì)造成明顯的影響。而線長(zhǎng)一旦不匹配，除了時(shí)序上會(huì)發(fā)生偏移，還給差分信號(hào)中引入了共模的成分，降低信號(hào)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(zhǎng)，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(duì)之間加一匹配電阻。 其值應(yīng)等于差分阻抗的值。這樣信號(hào)品質(zhì)會(huì)好些。

所以建議如下兩點(diǎn)：

(A)使用終端電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于差分信號(hào)的CLOCK等要求等長(zhǎng)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(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來抵消對(duì)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(duì)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(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)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(huì)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(hào)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(huì)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(huì)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(huì)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。