差分信号的特性和布局

了解差分信号的重要特性，优点和应用，以及差分信号的正确布局技术。

基础知识：单端和差分信号

首先，我们必须先学习一些关于单端信号传导的基础知识，然后再讨论过度差异信号及其特征。

单端信令

单端信令是一种将电信号从发送器传输到接收器的简单而常见的方式。电信号通过电压（通常是变化的电压）传输，该电压以固定电位为基准，通常为0 V节点，称为“接地”。

一根导线承载信号和一根导线具有共同的参考潜力。与信号相关的电流从发送器传送到接收器，并通过接地连接返回电源。如果传输多个信号，电路将需要一个导体用于每个信号加一个共用接地连接;因此，例如，可以使用17个导体传输16个信号。

单端拓扑

差分信令

差分信令比单端信令少，它使用两个互补电压信号，以便传输一个信息信号。因此，一个信息信号需要一对导体;一个携带信号，另一个携带反转信号。

单端与差分：通用时序图

接收器通过检测反相和非反相信号之间的电位差来提取信息。两个电压信号是“平衡的”，意味着它们具有相对于共模电压相等的幅度和相反的极性。与这些电压相关的返回电流也是平衡的，因此相互抵消;因此，我们可以说差分信号（理想情况下）有零电流流过接地连接。

对于差分信号，发送器和接收器不一定共用一个公共接地参考。但是，使用差分信号并不意味着发送器和接收器之间的地电位差异对电路的运行没有影响。

如果发送多个信号，每个信号需要两根导线，即使所有信号都是差分的，也经常需要或至少有益于包括接地连接。因此，例如，发送16个信号将需要33个导体（与单个发送的17个导体相比）。这证明了差异信号传导的明显缺点。

差分信号拓扑

差分信号的好处

然而，差分信号的重要优点是可以补偿增加的导体数量。

无返回电流

由于我们（理想情况下）没有返回电流，因此接地参考变得不那么重要了。地面电位甚至可以在发送器和接收器处不同，或者在一定的可接受范围内移动。但是，您需要小心，因为直流耦合差分信号（如USB，RS-485，CAN）通常需要共用接地电位，以确保信号保持在接口的最大和最小允许共模电压范围内。

抵抗入侵EMI和串扰

如果从差分导体外部引入EMI（电磁干扰）或串扰（即附近信号产生的EMI），对于反相和非反相信号同等地加上。接收器响应两个信号之间的电压差而不是单端（即接地参考）电压，因此接收器电路将大大降低干扰或串扰的幅度。

这就是差分信号对EMI，串扰或耦合到差分对的两个信号的任何其他噪声不太敏感的原因。

降低输出EMI和串扰

h4>

快速转换（例如数字信号的上升沿和下降沿）可能会产生大量的EMI。单端和差分信号都会产生EMI，但差分对中的两个信号会产生（理想情况下）幅度相等但极性相反的电磁场。这与保持两个导体之间非常接近的技术（例如使用双绞线电缆）相结合，可确保两个导体的发射相互抵消。

低压操作

单端信号必须保持相对较高的电压，以确保足够的信噪比（SNR）。常见的单端接口电压为3.3 V和5 V.由于其抗噪声性能得到改善，差分信号可以使用更低的电压并仍能保持足够的SNR。此外，差分信号的SNR相对于等效的单端实现自动增加了两倍，因为差分接收器的动态范围是差分对中每个信号的动态范围的两倍。

使用较低信号电压成功传输数据的能力具有以下几个重要优点：

可以使用较低的电源电压。

电压转换较小

降低辐射EMI，

降低功耗，

允许更高的工作频率。

高或低状态和精确定时

您是否想知道我们如何确定信号是处于逻辑高电平还是逻辑低电平状态？在单端系统中，我们必须考虑电源电压，接收器电路的阈值特性，可能是参考电压的值。当然，存在变化和容差，这会给逻辑高或逻辑低的问题带来额外的不确定性。

在差分信号中，确定逻辑状态更为直接。如果非反相信号的电压高于反相信号的电压，则逻辑高电平。如果非反相电压低于反相电压，则逻辑低。并且两个状态之间的过渡是非反相和反相信号相交的点 - 即交叉点。

这是匹配导线或迹线长度很重要的一个原因携带差分信号：为了获得最大的定时精度，您希望交叉点与逻辑转换完全对应，但是当该对中的两个导体长度不相等时，传播延迟的差异将导致交叉点移位。/p>

应用程序

目前有许多接口标准采用差分信号。其中包括：

LVDS（低压差分信号）

CML（电流模式逻辑）

RS485

RS422

以太网

CAN

USB

高质量平衡音频

显然差分信号的理论优势已经在无数实际应用中得到了实际应用的证实。

路由差分跟踪的基本PCB技术

最后，让我们学习如何在PCB上路由差分走线的基础知识。路由差分信号可能有点复杂，但有一些基本规则可以使过程更直接。

长度和长度匹配 - 保持平等！

差分信号（理想情况下）大小相等，极性相反。因此，在理想情况下，没有净返回电流将流过地面。这种返回电流的缺失是一件好事，所以我们希望尽可能保持一切理想，这意味着差分对中的两条迹线需要相等的长度。

上升/下降越高您的信号时间（不要与信号的频率混淆），您必须越多地确保迹线具有相同的长度。您的布局程序可能包含一项功能，可帮助您微调差分对的迹线长度。如果你难以达到相同的长度，你可以使用“曲折”技术。

蜿蜒轨迹的一个例子

宽度和间距 - 保持不变！

更接近差分导体越好，信号的耦合就越好。产生的EMI将更有效地抵消，并且接收的EMI将更均匀地耦合到两个信号中。因此，请尽量将它们放在一起。

您应该尽可能远离相邻信号路由差分对导线，以避免干扰。应根据目标阻抗选择迹线之间的宽度和间距，并应在迹线的整个长度上保持不变。因此，如果可能的话，走线在PCB周围移动时应保持平行。

阻抗 - 最小化变化！

设计具有差分信号的PCB时，最重要的事情之一是找出适合您应用的目标阻抗，然后再进行布局因此你的差分对。此外，保持阻抗变化尽可能小。

差分线的阻抗取决于诸如走线宽度，走线耦合，铜厚度以及PCB材料和层等因素叠起。当你试图避免改变差分对阻抗的任何事情时，请考虑其中的每一个。

不要在平面层上的铜区域之间的间隙上传输高速信号，因为这也会影响阻抗。尽量避免地平面的不连续。

布局建议 - 阅读，分析和过分他们！

最后但并非最不重要的是，有一个在布线差分走线时，您必须做的非常重要的事情：获取发送或接收差分信号的芯片的数据表和/或应用说明，读取布局建议并仔细分析。通过这种方式，您可以在特定设计的约束下实现最佳布局。

结论

差分信号允许我们以更低的电压传输信息，良好的SNR，更高的抗噪声能力和更高的数据速率。另一方面，导体数量增加，系统将需要专门的发射器和接收器而不是标准数字IC。

如今，差分信号是许多标准的一部分，包括LVDS，USB，CAN，RS -485，和以太网，因此我们都应该（至少）熟悉这项技术。如果您实际设计的是带差分信号的PCB，请记得查阅相关数据表和应用笔记，如有必要，请再次阅读本文！