差分信號(hào)（下）

　　我們通常認(rèn)為信號(hào)以三種模式沿電路傳播：單端、差?；蚬材?。

　　單模是我們最熟悉的。它包括介于驅(qū)動(dòng)器與接收器之間的單根導(dǎo)線或走線。信號(hào)沿走線傳播并從地返回1。

　　差模包括介于驅(qū)動(dòng)器與接收器的一對(duì)走線(或?qū)Ь€)。我們一般認(rèn)為其中一根走線傳送正信號(hào)而另一根傳送負(fù)信號(hào)，并且大小相等極性相反，沒有通過地的返回信號(hào);信號(hào)沿一根走線前進(jìn)并從另外一根返回。

　　共模信號(hào)通常更難于理解。既可以包括單端走線也可以包括兩個(gè)(可能更多)差分走線。同樣的信號(hào)沿走線以及返回路徑(地)或者沿差分對(duì)中的兩根走線流動(dòng)。大部分人往往對(duì)共模信號(hào)不熟悉，因?yàn)槲覀冏约簭膩聿粫?huì)故意產(chǎn)生它們。它們通常是由從其它(鄰近或外部)源耦合進(jìn)電路的噪聲引起的。一般來講，結(jié)果最好情況是中性的，最壞情況是具有破壞性的。共模信號(hào)能夠產(chǎn)生干擾電路正常運(yùn)行的噪聲，并且是常見的EMI 問題的來源。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　差分信號(hào)相比單端信號(hào)有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)：需要兩根走線而不是一根，或者兩倍的電路板面積。但是差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：如果沒有通過地的返回信號(hào)，地回路的連續(xù)性相對(duì)就變得不重要了。因此，假如我們有一個(gè)模擬信號(hào)通過差分對(duì)連接到數(shù)字器件，就無需擔(dān)心跨越電源邊界，平面不連續(xù)等等問題。差分器件的電源分割也更容易處理2。差分電路在低壓信號(hào)的應(yīng)用中是非常有益的。如果信號(hào)電平非常低，或者如果信噪比是個(gè)問題，那么差分信號(hào)可以有效地倍增信號(hào)電平(+v-(-v)=2v)。差分信號(hào)和差分放大器通常用于信號(hào)電平非常低的系統(tǒng)的輸入級(jí)。

　　差分接收器往往對(duì)輸入信號(hào)電平的差敏感，但是常常被設(shè)計(jì)為對(duì)輸入的共模偏移不敏感。因此在強(qiáng)噪聲環(huán)境中差分信號(hào)往往比單端信號(hào)有著更好的性能。

　　相比單端信號(hào)(以一個(gè)不太精確的受電路板其他位置的噪聲的干擾的信號(hào)為參考)差分信號(hào)(彼此互為參考)的翻轉(zhuǎn)時(shí)序可以更精確地設(shè)定。差分對(duì)的交叉點(diǎn)定義得非常精確(圖1)。單端信號(hào)位于邏輯1 和邏輯0 之間的交叉點(diǎn)受制于(舉例)噪聲、噪聲門限以及門限檢測(cè)問題等等。

　　重要假設(shè)

　　差分信號(hào)的一個(gè)重要方面常常被工程師或者設(shè)計(jì)人員忽略，甚至有時(shí)被誤解。我們從兩條廣為人知的規(guī)則開始：(a)電流在一個(gè)閉合的環(huán)路內(nèi)流動(dòng)以及(b)電流在環(huán)路內(nèi)處處相等。

　　考慮差分對(duì)的“正”走線。電流沿走線流動(dòng)并且必須在一個(gè)環(huán)路內(nèi)流動(dòng)，通常從地返回。另外一根走線中的負(fù)信號(hào)也必須在一個(gè)環(huán)路內(nèi)流動(dòng)，通常也從地返回。這很容易明白如果我們暫時(shí)想象一個(gè)差分對(duì)中的一根走線上的電流保持不變。另一根走線中的信號(hào)必須從某個(gè)地方返回并且很清楚返回路徑應(yīng)該是單端信號(hào)的返回路徑(地)。我們說差分對(duì)沒有通過地的返回信號(hào)不是因?yàn)椴荒埽且驗(yàn)榉祷匦盘?hào)的確存在并且大小相等且極性相反所以相互抵銷了(和為零)。這一點(diǎn)非常重要。如果從一個(gè)信號(hào)(+i)返回的信號(hào)嚴(yán)格等于，且符號(hào)相反，另一個(gè)信號(hào)(-i)，那么它們的和(+i-i)為零，沒有電流從任何地方流過(特別是地)?，F(xiàn)在假定信號(hào)并非嚴(yán)格相等且極性相反。設(shè)一個(gè)為+i1 另一個(gè)為-i2。這里i1 和i2 的值近似但是不等。返回電流的和為(i1-i2)。因?yàn)椴皇橇?，這個(gè)增加的電流必須從某個(gè)地方返回，推測(cè)應(yīng)該是地。

　　你說什么?那么讓我們假定發(fā)送電路發(fā)送一對(duì)差分信號(hào)，嚴(yán)格相等且極性相反。再假定他們?cè)诼窂降慕K點(diǎn)仍然如此。但是如果路徑長度不等會(huì)如何呢?如果(差分對(duì)中的)一條路徑比另外一條長，那么信號(hào)在傳輸?shù)浇邮掌鞯碾A段就不再是嚴(yán)格相等且極性相反了(圖2)。如果信號(hào)在它們從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中不再是嚴(yán)格相等且相反，沒有電流流經(jīng)地就不再是正確的了。如果有流經(jīng)地的電流存在，那么電源完整性就一定成為一個(gè)問題，并且可能EMI也會(huì)成為一個(gè)問題。

　　設(shè)計(jì)規(guī)則1

　　我們處理差分信號(hào)的第一個(gè)規(guī)則是：走線必須等長。有人激烈地反對(duì)這條規(guī)則。通常他們的爭(zhēng)論的基礎(chǔ)包括了信號(hào)時(shí)序。他們?cè)敱M地指出許多差分電路可以容忍差分信號(hào)兩個(gè)部分相當(dāng)?shù)臅r(shí)序偏差而仍然能夠可靠地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。根據(jù)使用的不同的邏輯門系列，可以容忍500 mil 的走線長度偏差。并且這些人們能夠?qū)⑦@些情況用器件規(guī)范和信號(hào)時(shí)序圖非常詳盡地描繪出來。問題是，他們沒有抓住要點(diǎn)!差分走線必須等長的原因與信號(hào)時(shí)序幾乎沒有任何關(guān)系。與之相關(guān)的僅僅是假定差分信號(hào)是大小相等且極性相反的以及如果這個(gè)假設(shè)不成立將會(huì)發(fā)生什么。將會(huì)發(fā)生的是：不受控的地電流開始流動(dòng)，最好情況是良性的，最壞情況將導(dǎo)致嚴(yán)重的共模EMI問題。

　　因此，如果你依賴這樣的假定，即：差分信號(hào)是大小相等且極性相反，并且因此沒有通過地的電流，那么這個(gè)假定的一個(gè)必要推論就是差分信號(hào)對(duì)的長度必須相等。差分信號(hào)與環(huán)路面積：如果我們的差分電路處理的信號(hào)有著較慢的上升時(shí)間，高速設(shè)計(jì)規(guī)則不是問題。但是，假設(shè)我們正在處理的信號(hào)有著有較快的上升時(shí)間，什么樣的額外的問題開始在差分線上發(fā)生呢?考慮一個(gè)設(shè)計(jì)，一對(duì)差分線從驅(qū)動(dòng)器到接收器，跨越一個(gè)平面。同時(shí)假設(shè)走線長度完全相等，信號(hào)嚴(yán)格大小相等且極性相反。因此，沒有通過地的返回電流。但是，盡管如此，平面層上存在一個(gè)感應(yīng)電流!

　　任何高速信號(hào)都能夠(并且一定會(huì))在相鄰電路(或者平面)產(chǎn)生一個(gè)耦合信號(hào)。這種機(jī)制與串?dāng)_的機(jī)制完全相同。這是由電磁耦合，互感耦合與互容耦合的綜合效果，引起的。因此，如同單端信號(hào)的返回電流傾向于在直接位于走線下方的平面上傳播，差分線也會(huì)在其下方的平面上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流。

　　但這不是返回電流。所有的返回電流已經(jīng)抵消了。因此，這純粹是平面上的耦合噪聲。問題是，如果電流必須在一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)，剩下來的電流到哪里去了呢?記住，我們有兩根走線，其信號(hào)大小相等極性相反。其中一根走線在平面一個(gè)方向上耦合了一個(gè)信號(hào)，另一根在平面另一個(gè)方向上耦合了一個(gè)信號(hào)。平面上這兩個(gè)耦合電流大小相等(假設(shè)其它方面設(shè)計(jì)得很好)。因此電流完全在差分走線下方的一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)(圖3)。它們看上去就像是渦流。耦合電流在其中流動(dòng)的環(huán)路由(a)差分線自身和(b)走線在每個(gè)端點(diǎn)之間的間隔來定義。

　　設(shè)計(jì)規(guī)則2

　　現(xiàn)在EMI 與環(huán)路面積已是廣為人知了3。因此如果我們想控制EMI，就需要將環(huán)路面積最小化。并且做到這一點(diǎn)的方法引出了我們的第二條設(shè)計(jì)規(guī)則：將差分線彼此靠近布線。有人反對(duì)這條規(guī)則，事實(shí)上這條規(guī)則在上升時(shí)間較慢并且EMI 不是問題時(shí)并不是必須的。但是在高速環(huán)境中，差分線彼此靠得越近布線，走線下方所感應(yīng)的電流的環(huán)路就越小，EMI 也可以得到更好的控制。

　　值得一提的是一些工程師要求設(shè)計(jì)人員去掉差分線下方的平面。原因之一是減小或消除走線下方的感應(yīng)電流環(huán)路。另外一個(gè)原因是防止平面上已有的噪聲耦合到(推測(cè)如此)走線上的低壓信號(hào)4。

　　還有一個(gè)將差分線彼此靠近布線的理由。差分接收器設(shè)計(jì)為對(duì)輸入信號(hào)的差敏感而對(duì)輸入的共模偏移不敏感。也就是說即使(+)輸入相對(duì)(-)輸入僅有輕微的偏移，接收器也會(huì)檢測(cè)到。但是如果(+)和(-)輸入一起偏移(在同樣的方向)，相對(duì)而言接收器對(duì)這種偏移不敏感。因此如果任何外部噪聲(比如EMI 或串?dāng)_)等同地耦合到差分線中，接收器將對(duì)此種(共模耦合)噪聲不敏感。差分線布得越彼此靠近，任何偶合噪聲在每根走線上就越相近。因此電路的噪聲抑制就越好。

　　規(guī)則2推論

　　再次假定高速環(huán)境中，如果差分線彼此緊挨著布線(為了使其下方的環(huán)路面積最小化)那么走線將彼此耦合。如果走線足夠長以至于端接成為一個(gè)問題，這種耦合就會(huì)影響到確切的端接阻抗5的計(jì)算。原因是：考慮一個(gè)差分線對(duì)，線1 和線2。假使它們分別攜帶信號(hào)V1 和V2。因?yàn)樗鼈兪遣罘志€，V2=V1*V1 在線1 引起一個(gè)電流I1 而V2在線2 引起一個(gè)電流I2。電流必然是從歐姆定律導(dǎo)出，I=V/Z0，這里Z0 是走線的特征阻抗?，F(xiàn)在線1(舉例)攜帶的電流事實(shí)上由i1 和k*i2 組成，這里k 是線1 與線2 間的耦合比例。這表明這種耦合的最終效果是線1 上的一個(gè)明顯的阻抗，這個(gè)阻抗等于Z=Z0-Z12這里Z12 由線1 與線2 間的互耦6引起。如果線1 和線2 分得很開，它們之間的耦合就很小，確切的端接阻抗就只是Z0，單端走線的特征阻抗。但是如果走線靠的更近，它們之間的耦合就會(huì)增加，這樣走線的阻抗與這種耦合成比例地減小。這就是說確切的走線端接(為了防止反射)為Z0-Z12，或者某個(gè)小于Z0 的值。這對(duì)差分對(duì)的兩根走線都適用。因?yàn)闆]有流經(jīng)地的電流(大概這是個(gè)假設(shè))那么端接電阻被連接在線1 和線2 之間，且確切的端接阻抗算得是2(Z0-Z12)。這個(gè)值經(jīng)常被叫做“差分阻抗”7。

　　設(shè)計(jì)規(guī)則3

　　差分阻抗因互耦而變，而互耦因線距而變。因此在任何情況下，走線阻抗，也就是互耦，在全線為常數(shù)是很重要的。這就得到了我們的第三個(gè)規(guī)則：(差分對(duì)的)線距必須在全線為常數(shù)。

　　注意對(duì)差分阻抗的影響只是規(guī)則2 的推論。差分阻抗根本不是與生俱來的。我們要把差分線彼此靠近布線與EMI 和噪聲免疫有關(guān)。它對(duì)“長”線確切端接以及線距一致性的影響的事實(shí)只不過是為了EMI 控制而將走線彼此靠近布線的一個(gè)推論8。

　　結(jié)論

　　差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它們中的三個(gè)是(a)與電源系統(tǒng)有效隔離，(b)對(duì)噪聲免疫，和(c)增強(qiáng)信噪比。與電源系統(tǒng)(特別是系統(tǒng)地)隔離依賴于差分線上的信號(hào)真正地大小相等且極性相反。這個(gè)假定也許不成立，如果差分對(duì)中單個(gè)線長不完全匹配。對(duì)噪聲的免疫經(jīng)常依賴于走線的緊耦合。這將依次影響到為防止反射而對(duì)走線進(jìn)行正確的端接的值，以及如果走線必須緊耦合，通常也是需要的，它們的間距必須全線為常數(shù)。

　　注釋

　　1 事實(shí)上信號(hào)可以僅僅/同時(shí)從地或電源系統(tǒng)返回。在這篇文章中我通篇使用單個(gè)術(shù)語“地”完全是為了方便。

　　2 光耦器件是解決這類問題的另一種方法。

　　3 參見"Loop Areas: Close 'Em Tight", January, 1999

　　4 據(jù)我所知沒有權(quán)威的研究支持或者反駁這個(gè)慣例。

　　5 阻抗控制走線在行業(yè)中有許多參考。比如，參見"PCB Impedance Control: Formulas and Resources", March, 1998; "Impedance Terminations: What's the Value?" March, 1999; 和"What Is Characteristic Impedance" by Eric Bogatin, January, 2000, 第18 頁。

　　6 參見"Differential Impedance: What's the Difference", August, 1998

　　7 對(duì)線對(duì)的差模及共模成分的有趣討論，參見"Terminating Differential Signals on PCBs", Steve Kaufer and Kellee Crisafalu, March, 1999, 第25 頁。