为什么要走差分线？哪些地方需要用到差分走线？

1、差分线的定义

差分信号就是两个幅度相等、方向相反的信号，而而负责承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。

2、为什么要走差分线？

A、因为在相同的电路中，由于单端走线参考的是地平面，收到外界的干扰和地平面上受到的同一干扰的表现差异很大，导致单端走线的干扰和回流路径中的干扰无法相互抵消，而差分走线由于信号大小相等、方向相反，所以两根差分走线之间的耦合就很好，阻抗变换也更匹配，外界的噪声信号基本上都会同时被耦合到两条线上，而接收端只关注两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全消除，提高信号传输质量。

B、差分走线能有效抑制EMI，因为两根差分信号极性相反，所以他们对外界的辐射电磁场可以相互抵消，保证两根线仅仅耦合，耦合的越紧密，互相抵消的磁感应线就越多，泄放到外界的辐射信号就越少，提高系统传输的稳定性。

C、时序的准确性需要，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

3、等长的定义

等长，顾名思义，就是指两根差分线的长度要尽量一样长，业界一般保证10mil误差以内，严格点的就按5mil以内作为差分线等长要求。等长是为了保证两队差分信号每时每刻都要保持传输方向相反，如果差分线线长不匹配，就会造成时序上的偏移，相位误差大，速度越高，影响越大，还会引起共模干扰，降低信号传输的质量，增加了EMI。

4、哪些地方需要用到差分走线？

因为差分线有更高的抗干扰能力，能提升信号的传输速率，但是差分线也有缺点，就是它需要比单端走线多一条额外的线作为信号的回流路线。所以，只有在追求更高要求的传输速率或者更强的抗干扰能力的设计中才会以牺牲走线面积来增加走线的数量来保证信号传输的高速率、可靠性和更强的抗干扰能力。

1) 、长距离传输，网线，485，CAN等需要使用差分走线。如：485、CAN线，为了追求更远的传输距离，通常在差分走线的情况下还会提高的传输电平（RS485:-7V至+12V之间 CAN 5V），但相应的也会降低传输速率（RS485：平均速度会小于10Mbps ；CAN：平均速度会小于1Mbps）。如下图网线就是采用每一对差分线都拧在一起的走线方式。

2) 、在高速传输环境下需要走差分线，如 USB3.0、MIPI、LVDS、HDMI等走线。差分线在高速传输时，电压幅度很低，MIPI线在高速模式下（1Gbps以上）的电压仅有200mV。在低速模式下也只有1.2V。

大家都知道，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。差分信号由于具有更高的抗噪声能力，因此可以使用更低的电压并保持足够的SNR。因此，在相同的电平下，差分走线的上升沿时间是单端走线的1/2，所以不难理解差分线的传输速率比单端走线高，同时差分线由于有更低的电源电压，所以也会降低辐射EMI和降低功耗，提升了工作频率效率。

5、差分、等长走线设计要点

1) 、在布局原件时，要优先布局差分走线，尽量时差分线路径最短，以缩短差分线的走线距离。

2) 、一对差分走线最多允许不超过两对过孔，而且需要对称放置，当差分信号需要换层时，必须保持相同的参考平面，并在过孔信号周围增加地孔。增加过孔会产生寄生电感，引起反射，影响信号传输的完整性。

3) 、对称平行走线，因为这样才能保证两根线紧紧耦合，避免90°走线，弧形或者45°的走线方式都是被允许的。

4) 、差分走线串联电阻、电容的摆放。

5) 、不能存在Stub线。Stub线就是俗称为线头或歪线（在 Router中经常出现）, 或者说信号没打算经过的路径，对于High speed signal是完全禁止的。因为通过大量的仿真和布线经验，Stub对高速信号线的影响还是很严重的。

6) 、差分走线线长一旦不匹配，时序就会发生错乱，同时也会引起工模干扰，增加EMI。所以差分走线必须保持相同的长度、相同的宽度和相同的层数，并尽可能保持对称，对于差分线长不匹配的地方要做补偿，使其线长匹配，长度差最好控制在5mil，遵循哪里长度差就补偿哪里的原则。

6、差分线与等长线的关系

差分线一定要求要做等长，但等长走线不一定要求都是差分线，等长是为了使不同的信号不延时，数据能够同时到达，像大家所熟知的MIPI和USB3.0走线就是需要走等长+差分线，而DDR和EMMC线就只有等长没有差分。因为只有等长，DDR、EMMC等并行高速才能同时到达接收端，才能实现真正意思上的并行传输。

编辑：黄飞