深入分析差分信号回流路径

一、单端信号与差分信号：

1.1、单端信号与差分信号：

单端信号是使用一根信号线传输的，参考点选择地平面的信号。也就是说，单端信号是在一根导线上传输的与地平面之间的电位差。这就要求信号从源端传递到接收端，源端与接收端的参考地电位要基本相同。

差分信号是使用两根线传输的信号，一根线传输正极性信号，一根线传输负极性信号，在接收端通过比较正负信号的差值，来判断识别信号。这样做的好处是，即使信号源端与接收源参考地电位不相同，接收端也能够正确的识别信号。

1.2、传输上的差别：

单端信号是以参考地平面为基准的，当参考地平面流过直流信号时，从源端到接收端的参考地平面之间几乎没有电位差；当流过交流信号、大电流信号，尤其是高频信号时，从源端到接收端参考地平面之间因为寄生电感的存在，就会产生电位差，电位差的大小受信号工作频率高低，上升沿/下降沿斜率、工作电流大小、参考地平面寄生电感大小影响。

虽然差分信号两根信号都是参考地平面的，地平面浮动时，两根信号同时浮动（理想情况下），两根信号之间的差值几乎不变，而接收端是识别两个信号之间的差值。故差分信号传输对参考地平面的要求相比于单端信号要低很多。

信号在传输过程中，穿过某个信号的磁场范围内时就会在上面产生感应电动势，对于单端信号产生的感应电动势直接叠加到信号上，而对于差分信号而言，因为两根线产生的感应电压相同，两者差值为零，不会对有用信号产生任何影响。这是为什么差分信号比单端信号抗干扰能力更强的秘密所在。    

二、差分信号的优缺点：

2.1、差分信号的优缺点：

差分信号的优点是：差分信号接收端是通过识别两个信号之间的差值来做信号判断，所以基准地电位的精确性对差分信号影响较小。差分信号第二个好处是抗干扰能力较强，

本身的EMI辐射也较小。差分信号第三个好处是在一个单电源系统里，能够从容精确地

处理〝双极〞信号。

2.2、差分信号的缺点：

差分信号要求两个信号振幅相等，相位相差180度，极性相反，两根线等长。接收端是比较两个信号差值，所以相位、时延对差分信号就显得非常重要了，而单端信号就不存在此问题。

三、差分信号设计规则：

3.1、紧耦原则：

当紧密耦合时，由于两根线电流大小相等，极性相反；对应产生的磁场大小也相等，极性也同样相反，彼此互相抵消。紧密耦合另一个好处是，感应在两根线的外部噪声电压均以等量的共模噪声形式出现，在接收端只对差模信号敏感，而对共模信号不敏感，因此接收端抑制了共模噪声。    

3.2、等长等距原则：

差分信号对应保持电气长度相等，两个线迹间距在整个线迹长度上保持一致。间距的变化会引起磁场耦合的不平衡，从而降低磁场消除的效果。除了更大的EMI外，布线间距的变化也会引起信号阻抗变化，从而造成阻抗的不连续，造成破坏信号完整性的信号反射。

相同的电气长度布线，可以确保信号在相同的时间到达接收端。对于相同长度的差分信号而言，两个信号相等且极性相反，因此它们的和则必为零。如果线迹电气长度不同，那么较短线迹上的信号就会比较长线迹上的信号较早地改变状态。严重的情况下，两个线迹在某点则会出现驱动电流相同的情况。 当两个信号相加时，该总信号在过渡从零电平转移。高频条件下，这对差分信号通过参考地平面回流到源端，形成环路天线向外辐射。

3.3、阻抗受控原则：

差分信号阻抗由信号对线迹的物理几何、它们同邻近参考层的关系，以及PCB电介质决定，这些几何形状必须在整个线迹长度保持一致。非连续性就是信号路径中差分信号的阻抗偏离于其标准值（100±15%），非连续性可以引起由阻抗不匹配带来的信号反射，进而破坏信号完整性。    

3.4、回流路径完整原则：

对于高频电路，在相邻层提供相对完整的参考平面，能够为返回电流提供最小的阻抗路径，使信号产生的磁场与返回电流产生的磁场互相抵消，使EMI最小化。跨分隔会导致信号回流路径面积失控，信号产生的磁场与返回电流产生的磁场不能有效抵消，EMI辐射

较差。由于差分信号对本身的差模环路不同，感应的噪声大小也不同，共模噪声在接收端不能有效消除，从而导致信号本身性能指标变差。

四、差分信号回流路径深入分析：

4.1、差分信号回流路径分析：

差分信号回流路径错误认知：

大部分电子工程师认为差分信号抗干扰能力强、空间辐射小的主要原因，是因为差分信号从正极信号经传输线到负载端，再经负极信号返回到源端。差分信号电流在一个闭合的环路内流动，正负信号幅度相等，方向相反，产生的磁场彼此互相抵消，差分信号返回电流没有经过参考地平面流回源端。    

理想状态下差分信号返回路径分析：

实际上差分信号电流返回路径同单端信号相同，即D＋信号电流从源端经传输线到负载端，再经参考平面返回到源端；而D-信号电流从负载端经传输线到达源端，再经参考平面返回到负载端。

理想状态情况下，由于差分信号的电流大小相等，极性相反，产生的磁场互相抵消；返回电流大小相等，极性相反，产生的磁场也互相抵消，故差分信号空间辐射极小。

当高频状态下源端与接收端参考地电位不相等时，接收端正负差分信号相对于参考地平面电位同步抬升或者跌落，而两者之间差值保持不变，对于接收端信号识别无影响；同理当差分信号处于磁场中时，两根线产生的感应电压大小相等，差分信号之间的差值仍然保持不变，同样对信号的传输结果无影响，故差分信号抗干扰能力较强。

4.2、差分信号返回路径的两种设计形式

多层板差分信号回流路径设计：

多层板设计时差分信号通常会选择紧邻的完整地（电源）平面作为电流返回路径，使其环路面积最小，信号电流与返回电流产生的磁场互相抵消，空间辐射最小。     

双层板差分信号回流路径设计：

双层板由于PCB布线密度的问题，几乎很难完全做到单层布线，另一层做完整参考平面的设计方式。通常会选择差分信号两侧包地作为差分信号的电流返回路径，信号电流与返回电流产生的磁场大部分互相抵消，空间辐射也较小。

顶层布线，底层做参考平面的方式：

顶层布线，底层做参考平面的布线方式，乍一看同多层板设计方式相同，实际上却存在很大差异。具体设计要求是：差分信号从源端到接收端全部在顶层完成PCB布线，而整个差分信号顶层布线轨迹对应的底层要保持参考地平面相对完整，为差分信号提供低阻抗的回流路径。

设计难点：

ü对于双层板要保持差分信号不换层是可以做到的，但是要保持整个差分信号轨迹对应的底层参考地平面完整就十分困难，尤其还需要在保持产品成本优势、通用性的条件下。    

ü对于双层板要使差分信号选择底层地平面作回流路径，则必须保证差分信号顶层布线与两侧包地距离小于顶底层之间的板厚，否则差分信号回流路径就有可能选择两侧包地。

ü差分信号底层参考地保持完整的情况下，还需要保证底层参考地平面与源端、接收端之间参考地连接完整及低阻抗，尤其对于BGA封装的器件设计挑战性更大。

²顶底层交叉布线，两侧包地线做参考平面的方式：

由于成本与性能之间的平衡关系，两层板通常会采用顶底层交叉布线，两侧包地线做参考平面的方式。这种设计方式往往会带来参考地平面换层，甚至出现参考地平面与差分信号同时换层的情况。此种设计方式需要重点管控参考地平面的完整性，两侧包地线与底层参考地平面之间的等电位问题，跨分隔的处理也是难点。

设计难点：

ü差分信号线两侧包地线，从源端到接收端保持完整，使返回路径产生的磁场大部分能够互相抵消，使辐射最小化。

ü差分信号换层时，两侧包地线也存在换层的情况，差分信号换层过孔两侧要伴随地线换层过孔，使信号回流路径同步换层，使辐射最小化。

ü差分信号本身不需要换层，而由于结构布局布线、芯片PIN排布原因，两侧包地线需要换层，换层地线需要选择最小面积路径回流到主芯片。

ü差分信号两侧包地线与系统参考地平面之间，需要通过地过孔连接，形成等电位体，地线过孔的排布、个数需要引起特别重视。    

ü差分信号对本身的长度差，两侧包地线的长度差是磁场互相抵消的重要因素，应尽可能保持两者之间最小的长度差。

审核编辑：黄飞