電路板設計中差分信號線布線的優點和布線策略

布線非常靠近的差分信號對相互之間也會互相緊密耦合，這種互相之間的耦合會減小EMI發射，差分信號線的主要缺點是增加了PCB的面積，本文介紹電路板設計過程中採用差分信號線布線的布線策略。

眾所周知，信號存在沿信號線或者PCB線下面傳輸的特性，即便我們可能並不熟悉單端模式布線策略，單端這個術語將信號的這種傳輸特性與差模和共模種信號傳輸方式區別開來，後面這兩種信號傳輸方式通常更為複雜。

差分和共模方式
差模信號通過一對信號線來傳輸。一個信號線上傳輸我們通常所理解的信號；另一個信號線上則傳輸一個等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號。差分和單端模式最初出現時差異不大，因為所有的信號都存在迴路。

單端模式的信號通常經由一個零電壓的電路(或者稱為地)來返回。差分信號中的每一個信號都要通過地電路來返回。由於每一個信號對實際上是等值而反向的，所以返回電路就簡單地互相抵消了，因此在零電壓或者是地電路上就不會出現差分信號返回的成分。

共模方式是指信號出現在一個(差分)信號線對的兩個信號線上，或者是同時出現在單端信號線和地上。對這個概念的理解並不直觀，因為很難想象如何產生這樣的信號。這主要是因為通常我們並不生成共模信號的緣故。共模信號絕大多數都是根據假想情況在電路中產生或者由鄰近的或外界的信號源耦合進來的雜訊信號。共模信號幾乎總是“有害的”，許多設計規則就是專為預防共模信號出現而設計的。

差分信號線的布線
通常(當然也有一些例外)差分信號也是高速信號，所以高速設計規則通常也都適用於差分信號的布線，特別是設計傳輸線1這樣的信號線時更是如此。這就意味著我們必須非常謹慎地設計信號線的布線，以確保信號線的特徵阻貳沿信號線各處連續並且保持一個常數。

在差分線對的布局布線過程中，我們希望差分線對中的兩個PCB線完全一致。這就意味著，在實際應用中應該盡最大的努力來確保差分線對中的PCB線具有完全一樣的阻貳並且布線的長度也完全一致。差分PCB線通常總是成對布線，而且它們之間的距離沿線對的方向在任意位置都保持為一個常數不變。通常情況下，差分線對的布局布線總是儘可能地靠近。

差分信號的優勢
單端信號通常總是參照某種“參考”電平。這種“參考”電平可能是一個正值電壓也可能是地電壓、一個器件的閾值電壓、或者是其它什麼地方的另外一個信號。而另一方面差分信號則總是參照該差分線對中的另一方。也就是說，如果一個信號線(+信號)上的電壓高於另一個信號線(-信號)上的電壓，那麼我們就可以得到一種邏輯狀態；而如果前者低於後者那麼我們就可以得到另外的一種邏輯狀態。 

差分信號具有如下幾個優點：1. 時序得到精確的定義，這是由於控制信號線對的交叉點要比控制信號相對於一個參考電平的絕對電壓值來得簡單。這也是需要精確實現差分線對等長布線的一個理由。如果信號不能同時到達差分線對的另一端的話，那麼源端所能夠提供的任何時序的控制都會大打折扣。此外，如果差分線對遠端的信號並非嚴格意義上的等值而反向，那麼就會出現共模雜訊，而這將導致信號時序和EMI方面的問題。2. 由於差分信號並不參照它們自身以外的任何信號，並且可以更加嚴格地控制信號交叉點的時序，所以差分電路同常規的單端信號電路相比通常可以工作在更高的速度。

由於差分電路的工作取決於兩個信號線(它們的信號等值而反向)上信號之間的差值，同周圍的雜訊相比，得到的信號就是任何一個單端信號的兩倍大小。所以，在其它所有情況都一樣的條件下，差分信號總是具有更高的信噪比因而提供更高的性能。

差分電路對於差分對上的信號電平之間的差異非常靈敏。但是相對於一些其它的參考(尤其是地)來說，它們對於差分線上的絕對電壓值卻不敏感。相對來說，差分電路對於類似地彈反射和其它可能存在於電源和地平面上的雜訊信號等這樣的問題是不敏感的，而對共模信號來說，它們則會完全一致地出現在每一條信號線上。

差分信號對EMI和信號之間的串擾耦合也具有一定的免疫能力。如果一對差分信號線對的布線非常緊湊，那麼任何外部耦合的雜訊都會相同程度地耦合到線對中的每一條信號線上。所以耦合的雜訊就成為“共模”雜訊，而差分信號電路對這種信號具有非常完美的免疫能力。如果線對是絞合在一起的(比如雙絞線)，那麼信號線對耦合雜訊的免疫能力會更強。由於不可能在PCB上很方便地實現差分信號的絞合，那麼儘可能地將它們的布線靠近在一起就成為實際應用中一種非常好的辦法。

布線非常靠近的差分信號對相互之間也會互相緊密耦合。這種互相之間的耦合會減小EMI發射，特別是同單端PCB信號線相比。可以這樣想象，差分信號中每一條信號線對外的輻射是大小相等而方向相反，因此會相互抵消，就像信號在雙絞線中的情況一樣。差分信號在布線時靠得越近，相互之間的耦合也就越強，因而對外的EMI輻射也就越小。

差分電路的主要缺點就是增加了PCB線。所以，如果應用過程中不能發揮差分信號的優點的話，那麼不值得增加PCB面積。但是如果設計出的電路性能方面有重大改進的話，那麼增加的布線面積所付出的代價就是值得的。

本文總結
差分信號線之間互相會耦合。這種耦合會影響信號線的外在阻貳，因此必須採用終端匹配策略(參見註解2中有關討論以及差分阻貳的計算)。差分阻貳的計算很困難，國家半導體在這個領域提供了一些參考。Polar Instruments也提供一個獨立的可以計算許多種不同的差分信號結構3的差分阻貳計算器(需要一些費用)。高端的設計工具包也可以計算差分阻貳。

但是要注意差分線之間的相互耦合將直接影響差分阻貳的計算。差分線之間的耦合必須保證沿整個差分線都保持為一個常數或者確保阻貳的連續性。這也是差分線之間必須保持“恆定間距”設計規則的原因。