信号完整性之差分信号(四)

10 差分信号线的对称

（一）在差分传输中，所有信息都由差分信号来传送。保证差分信号质量很关键。以下原则需要执行

1. 使用可控差分阻抗。

2. 使差分对的突变最小化。

3. 在负载端端接差分信号。

（二）信号线间的不对称会引起差分信号的失真。两根信号线长度不同带来的时延差，会导致数据错位。为了保证数据没有错位，经验是：两信号线长度差小于信号上升时间移动距离的20%，即：

△L=Tr * v *20%

△L是差分线对中两根线的线长最大差值。Tr是信号上升时间，v是信号在PCB上的传输速度。

例如：通常FR4 PCB上的信号速度是6in/ns，如果某信号上升时间是100ps，那么两根信号线长的最大差距是6*0.1*0.2=0.12in。

随着信号上升时间越来越快，两信号线长差值可以容忍的值越来越短。

（三）两根线的不对称也会引起信号失真。例如一根信号线上有测试焊盘，另一根没有。前一根的测试焊盘会带来一个容性负载，导致在接收端，两根信号有时延差，进而导致差分信号失真。

（四）差分线的任何不对称因素都会使差分信号转换成共模信号，造成EMI问题。

如下图是一对差分信号。差分信号质量还可以，共模信号就不怎么好了。
 

11 共模信号和EMI问题

在很多车载多媒体产品中，Head unit将视频信号通过FPD-LINK（一种差分信号）传输到显示屏，物理媒介是双绞线。信号首先从PCB板的芯片管脚输出到板端连接器，而后通过插入连接器的双绞线连接到显示屏。双绞线上传输的信号包括差分信号和共模信号。差分信号是有用信号，双绞线对差分信号的电磁能量辐射比较小。但电缆中共模信号会辐射电磁能量，产生EMI问题。

在PCB板上共模信号通过相邻的返回平面返回。但是当信号从PCB板上切换到无屏蔽双绞线时，它怎么返回呢？当共模信号在双绞线上传播时，返回电流通过双绞线和与之最近导体间的杂散电容，进行耦合。这个返回电流（共模电流）会产生辐射。我的理解，下图中那个平面有点像EMC暗室中的大铜面。

总之无屏蔽双绞线中的共模电流很容易产生辐射。有几种办法可以减小无屏蔽双绞线中共模电流的辐射

方法一：将差分对之间的不对称降到最低，使共模信号幅度最小。这是在源端解决问题。

方法二：使用屏蔽双绞线，用屏蔽层做共模信号的返回路径。将屏蔽层和主机的外壳相连。在这种结构中，不会出现外部电场和磁场，共模电流不会向外辐射。

方法三：在信号路径中添加共模信号扼流线圈，来增大共模电流路径的阻抗。有两种形式的共模信号扼流线圈。

①铁氧体材料圆柱体。铁氧体的高磁导率会增加流过铁氧体净电流的电感和阻抗。由于差分对的两条信号线中的电流大小相同方向相反，所以差分电流的外部电场和磁场大部分相互抵消。而共模电流流过铁氧体，并且返回电流在铁氧体外部，此时闭合的磁力线穿过铁氧体。磁力线会感受到一个高阻抗，由此减小共模电流，从而减小辐射。这一类圆柱体可以用在任何电缆上，不单单是双绞线中。

②共模电感。此类元件主要用于双绞线中。它在不影响差分阻抗的同时，显著得增加共模阻抗。差分信号几乎不受线圈影响。

12 差分对的串扰

如果有一根动态线在一对差分线旁边，受到动态线的干扰，差分对的两根信号线上都会有串扰耦合噪声。串扰耦合噪声的极性相同，幅度不一样。差分对里距离动态线较近的那根差分线上耦合噪声更大。

动态线距离差分线越远，耦合噪声越小。差分线的两根信号线耦合度越大（LINE+和LINE-距离越近），两根信号线上的耦合噪声越趋于相等，差分噪声越小。不过虽然紧密耦合会减小差分噪声，但是会增加共模噪声。

如果上图中的动态线不是一根单端信号线，而是另一对差分动态线。后者造成的耦合差分噪声要稍小于前者（单端信号线）造成的差分耦合噪声。

13 返回路径的间隙

在PCB设计中，有时候返回平面会有间隙，例如用电源平面做参考层时。单端信号在此间隙处，会遇到一个很大的阻抗变化。一种办法是在间隙两端用一个低电感性的电容跨接，从而为返回电流找一个低电阻路径，不过在高频信号时效果不怎么好。

另一个办法是用差分信号代替单端信号来跨越这个间隙。为什么呢？在之前的文章《信号完整性之差分信号（二）》提到过，当返回平面和差分信号之间的距离≥差分信号线之间的距离时，差分阻抗的大小和返回平面无关了，此时返回平面就好像不存在一样。

14 紧密耦合和非紧密耦合

无论紧密耦合，还是非紧密耦合，都可以传输差分信号。

对非紧密耦合，它的优点是差分阻抗仅仅取决于每根单端信号线的阻抗，与差分信号线间距无关。这减小了信号线走线的限制，差分对中的两条信号线，只要长度匹配，就可以沿着各自独立的路径绕线。同时它受动态线影响，造成的共模噪声要小，不过和紧密耦合比较，小不了太多（不到20%）。

紧密耦合的优点是，两条走线靠近，PCB互连密度高，占用PCB面积小。另一个优点是差分噪声小。第三点是非理想的返回路径（上述返回路径间隙）中差分阻抗突变将有所减弱。

综合考虑，绝大多数应用中，紧密耦合比非紧密耦合更合适。