一文详解差分线的基础知识

整个基础知识体系中，差分线（对）是很难搞的部分，却是最常用的部分。说到差分线基础知识，里面的概念很多，记得刚接触的时候，奇模&共模有时候会搞不清楚。话不多说，直接上图：

01

概念

差分线从理论上说，可以是任意两根传输线。

最初的时候，曾有疑惑：距离很远的两根传输线呢？实际工作中，很多高速线都是差分线，更多的是利用其抗干扰的能力。既然讲到抗干扰，那是不是尽量保证两根线的周围环境一致。

所以，差分线的定义：两条存在耦合且平行等长的两根传输线，用来传输相位差180度的信号。

02

差分阻抗

差分线本身没有什么特别，决定它们特性的是这两条传输线上的信号传输方式。差分线除了传输差分信号，还有共模信号，前一种是大小相等方向相反的驱动电压，后一种是相等方向相同的驱动电压。

为了方便理解，针对差分阻抗的特性，搭建相关链路：

Vdiff = V1–V2  Vdiff 表示差分线号

Vcomm= (V1+V2)  Vcomm表示共模信号

V1表示线1相对于其返回路径的信号电压

V2表示线2相对于其返回路径的信号电压

从仿真结果看出：相同电平的幅值，差分线的峰峰值是单端线的两倍。单端线的基准是地平面，外界的干扰差异会很大；而差分线的基准是彼此，对共模干扰有很好的抑制。

差分线最重要的电特性就是对差分信号的阻抗，称为差分阻抗。

以Z=V/I来推算：

Z0单端信号线的特性阻抗

差分阻抗还可以看成两条单端信号线等效阻抗的串联：

Zdiff = Z0 +Z0 = 2 x Z0

Zdiff 表示两条信号线之间的等效阻抗（即差分阻抗）

Z0 表示每条信号线与返回路径之间的阻抗

上面计算方法可以得出差分阻抗，由差分阻抗引出两种模态：

奇模阻抗

奇模阻抗与差分阻抗有直接的关系。差分阻抗是差分信号受到的阻抗，奇模阻抗是传输线处于奇模状态时每条信号线的阻抗。

偶模阻抗

共模信号使差分对处于偶模状态。当传输线上传播共模信号时，此时每条线的特性阻抗称为偶模特性阻抗。

对于共模信号而言，阻抗是每条线特性阻抗的并联。两个偶模阻抗的并联阻值：

Zcomm表示共模阻抗

Zeven表示当差分对处于偶模状态时每条线的特性阻抗

信令方案有多种，最常用的就是LVDS低压差分信号。

需要注意的是：LVDS 信号不仅有差分信号还有共模信号，只不过默认共模信号是没有变化的直流。

除了常规的线宽线距，介质厚度等因素对差分阻抗的影响。最近有写阻焊相关的发明，发现随着阻焊层厚度的增加，紧耦合的情况下，阻焊层对奇模阻抗影响比较大，差分阻抗偏离值高达10%。设计表面层信号线差分阻抗时要考虑阻焊层的原因，这也是为什么差分线建议走内层的原因之一。

上面讲的概念都是无耦合的情况，如果考虑耦合，就引入了共模干扰的问题。

03

耦合

写到耦合的时候，想起之前有和同事聊过：关于差分线，因为相互耦合，一条线的返回路径可不可以是另外一条线？

当地平面发生不连续的时候，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路。这是没有任何问题的。

其实上面说差分线的一条线的返回电流由另一条线传输，还有一个前提条件：当信号线与返回路径平面之间的距离大于等于两条信号线距离（包含线宽）。

但是共模信号怎么办？不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成EMI 辐射，引入电磁干扰。相互作为回流路径的做法弊大于利。

在实际工作中，大多数板级互连中，信号线与平面之间的耦合度远大于两条信号线之间的耦合度，所以此时平面的返回电流十分重要。此时，第一条信号线的返回电流不能看成由第二条信号线运送。

线间距3倍线宽（3W）的情况，耦合很小，可以忽略。考虑两条线之间的耦合，当线间距的减小，奇模阻抗减小，偶模阻抗增加，对应的差分阻抗减小，共模阻抗增加。相对于3W的情况，差分阻抗减小了约12%。

远端串扰

如果差分对为同介质的，比如带状线，两种模态的传播速度相同，差分对就不会出现远端噪声。如果差分对为不同介质的，比如微带线，那么奇模的有效介电常数比偶模小，奇模有更快的传播速度。差分信号分量比共模分量先到达末端，相互间造成远端噪声。

紧耦合与松耦合

下图为阻抗计算软件算出差分阻抗为85 Ω，线间距差别比较大：

一般松耦合经验值为线间距大于2倍的线宽

返回平面受损时，例如在双绞线电缆、带状电缆、连接器和一些集成电路封装中，使用紧耦合。紧耦合对减小串扰有很强的作用。

紧耦合情况下，差分阻抗和共模阻抗受耦合的影响依然很小。在最紧耦合下，差分阻抗仅减小了10%。

一般规则：高速率产品，损耗要求较严，应当使用松耦合的差分对。消费类产品，成本要求较严，应使用紧耦合的差分对。

04

共模信号

我们主要用差分线传输差分信号，但在实际的链路中，任何不对称因素（串扰、驱动器错位、线长偏差及不对称的负载等）都会使部分差分信号转化为共模信号。

共模信号的产生及改变，危害就是会引起误码，引入过量电磁干扰。消费类的产品，一般都进行相关电磁辐射测试，这就需要我们在实际工作中进行管控。如何使共模信号的影响降到最小：

1.链路做到尽量对称。过孔转换&等长匹配&出Pin区域等。

2.增加共模信号扼流器CMC(Common mode Choke)，起到EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。

实际应用

讲到电磁干扰，还有一种情况需要说明：双绞线是否使用屏蔽？

屏蔽对差分阻抗影响其实不大，屏蔽的重要作用在于为共模电流提供一个返回路径，从而减小它的辐射效应。

审核编辑：刘清