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PCB 差分對(duì)的基礎(chǔ)知識(shí)

在開始了解差分對(duì)布線的潛在困難和解決方案之前，先回顧一下基礎(chǔ)知識(shí)。有過 PCB layout 經(jīng)驗(yàn)的人一定熟悉單端信號(hào)。單端信號(hào)是指在一條走線上傳輸信號(hào)，然后使用一個(gè)共同的參考平面作為信號(hào)的返回路徑。當(dāng)我們?cè)陔娐钒迳喜季€時(shí)，接地平面是信號(hào)的返回路徑，這就是單端信號(hào)。大多數(shù) PCB 網(wǎng)絡(luò)都是這樣布線的。

然而，這種布線方式有一個(gè)問題：隨著傳輸線速度提高，單端信號(hào)可能會(huì)受到一些問題的影響，包括串?dāng)_噪音和電磁干擾 (EMI)。此時(shí)，差分信號(hào)就派上了用場(chǎng)。

差分信號(hào)使用兩個(gè)互補(bǔ)的信號(hào)來傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，但第二個(gè)信號(hào)與第一個(gè)信號(hào)的相位相反。信號(hào)接收器使用反相和同相信號(hào)之間的差異來破譯信息。使用差分對(duì)布線傳輸信號(hào)有一些重要的好處，首先是能減少噪音和 EMI：

傳入的干擾將被均等地添加到反相和同相的信號(hào)中。由于接收器是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的差異作出反應(yīng)，無論是否受到影響，影響都是最小的。與影響單端信號(hào)的干擾相比，這樣的性能要好得多。

差分對(duì)的電磁場(chǎng)大小相等，但極性相反，因此來自兩條走線的干擾通?？梢韵嗷サ窒?。

與單端信號(hào)相比，差分對(duì)還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是它們可以在較低的電壓下工作。單條走線必須在較高的電壓下工作，以確保其信噪比 (SNR) 足以抵御任何傳入的噪聲。差分對(duì)對(duì)噪聲的抗干擾能力更強(qiáng)，因此需要的電壓更低，這提供了一些額外的好處：

所需的電壓更低意味著功耗也更低。

信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換將更小，有助于確保電路板的電源完整性。

在較低的信號(hào)電壓下可以使用較高的工作頻率。

電壓越低，輻射的 EMI 就越少。

如上所述，在電路板上使用差分信號(hào)有諸多好處，但也要付出一些代價(jià)。

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PCB layout 中與差分對(duì)相關(guān)的問題

如上文所述，使用差分對(duì)布線有諸多好處，但也有一些缺點(diǎn)。第一個(gè)也是最明顯的問題是，必須為每個(gè)信號(hào)布設(shè)兩條走線。這不僅使電路板上的布線量增加了一倍，而且由于差分對(duì)有額外的規(guī)則，還會(huì)占用更多的空間。我們來看看設(shè)計(jì)師在進(jìn)行差分對(duì)布線時(shí)不得不面對(duì)的一些難題。

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差分對(duì)中兩條走線的長(zhǎng)度必須相等

差分對(duì)的一大優(yōu)勢(shì)是，通過兩個(gè)極性相反的均等信號(hào)來代表信號(hào)，可以消除噪聲和 EMI。但如果線路的長(zhǎng)度不相等，這種平衡就會(huì)遭到破壞，并可能反過來產(chǎn)生共模噪聲和嚴(yán)重的 EMI 問題。如果線路的長(zhǎng)度不一致，信號(hào)的上升和下降時(shí)間越長(zhǎng)，問題就會(huì)越嚴(yán)重。

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差分對(duì)走線的寬度和間距必須始終保持一致

走線靠得越近，差分對(duì)之間的耦合性就越好。然而，當(dāng)走線的間距發(fā)生變化時(shí)，差分阻抗也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致阻抗不匹配以及額外的潛在噪聲和 EMI。

為了避免這種情況，差分對(duì)必須一起布線，并且寬度要相同，當(dāng)在電路板上的障礙物（如過孔或較小的器件）周圍進(jìn)行布線時(shí)，這可能是個(gè)難題。

示例：不在障礙物周圍進(jìn)行差分對(duì)布線

為了讓差分對(duì)布線發(fā)揮最佳性能，要遵循一些基本規(guī)則，接下來將一一討論。

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差分對(duì)布線指南

為了在電路板上獲得最佳的信號(hào)性能和完整性，以下是 PCB 設(shè)計(jì)師需要注意的一些差分對(duì)布線規(guī)則：

差分對(duì)需要一起布線

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對(duì)于布線團(tuán)隊(duì)來說，差分對(duì)的兩條走線需要清楚地標(biāo)記為差分對(duì)，以便在信號(hào)的整個(gè)長(zhǎng)度上一起布線。

如果可能的話，盡量避免使用過孔。如果必須要使用，應(yīng)該對(duì)稱擺放一對(duì)過孔。盡量使過孔靠得很近，它們相對(duì)于布線焊盤的位置應(yīng)該是均等的。

最好使用內(nèi)層布線，以盡量減少串?dāng)_，但這意味著使用過孔過渡到各層。

確保差分對(duì)與其他走線彼此分離。通常，間隔距離應(yīng)為正常走線寬度間距的三倍。

如果可能的話，考慮在相鄰的信號(hào)層上進(jìn)行側(cè)面差分對(duì)布線。這將帶來更高的布線密度和更好的串?dāng)_控制。

兩條走線之間的布線保持對(duì)稱

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成功的差分對(duì)布線應(yīng)該使兩條線路之間形成鏡像。要做到這一點(diǎn)，在布線時(shí)要考慮：

規(guī)劃布線方式，避免障礙物，如過孔或無源器件，以保持差分對(duì)的對(duì)稱性（如上圖所示）。

規(guī)劃焊盤入口和出口的布線，使走線之間盡可能形成鏡像。

在走線的整個(gè)長(zhǎng)度上使用相同的走線寬度。

差分對(duì)走線之間的間距保持一致。

差分對(duì)走線的長(zhǎng)度保持一致

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如前所述，差分對(duì)走線的長(zhǎng)度必須是相同的。為此，可以在較短的那條線路上添加蛇形走線，使兩者長(zhǎng)度相等。雖然這將稍微改變線路的對(duì)稱性，但長(zhǎng)度相等更加重要。如果長(zhǎng)度不均等是由于焊盤位置不對(duì)稱，可試著在線路的這個(gè)區(qū)域添加蛇形走線。

雖然在進(jìn)行差分對(duì)布線時(shí)需要關(guān)注很多問題，但 PCB 設(shè)計(jì) CAD 工具通常有很多功能，可以幫助我們配置差分對(duì)布線的方式。

Cadence Allegro PCB Designer 約束管理器中的差分對(duì)布線規(guī)則

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使用PCB CAD 工具進(jìn)行差分對(duì)布線

曾幾何時(shí)，PCB layout 設(shè)計(jì)師只能手動(dòng)進(jìn)行差分對(duì)布線。他們需要花費(fèi)大量精力來確保線路保持對(duì)稱，而在布線之后再修改走線堪稱一場(chǎng)噩夢(mèng)。現(xiàn)在， Cadence Allegro PCB Designer 這樣的工具提供了自動(dòng)的差分對(duì)布線功能，在布線時(shí)可以輕松確保差分對(duì)之間保持適當(dāng)?shù)膶挾群烷g距。此外，還可以添加規(guī)則和約束，以管理差分對(duì)的各個(gè)方面。

在上圖中可以看到，Cadence 的 PCB layout 工具中使用 Constraint Manager 來管理包括差分對(duì)在內(nèi)的不同設(shè)計(jì)規(guī)則。其中包括走線的寬度和間距，允許走線蜿蜒的長(zhǎng)度，以及布線圖，包括焊盤的入口和出口。借助這一工具，我們可以為差分對(duì)輸入所有相關(guān)的規(guī)則，確保它們符合具體的電路需求。

審核編輯：劉清