差分信号解析（Differential Signal）

简介：
差分信号解析介绍了一种通过成对信号线传输数据的技术，其中一条线路传送互补信号以提高抗噪声能力及加快通信速度。 在高速电路设计领域内，差分信号（Differential Signal）扮演着极其重要的角色，并常常应用于关键的信号传输路径之中。这主要是由于其独特的优点。 差分信号是指驱动端同时发送两个幅度相等但极性相反的电压信号，接收器通过比较这两个电压之间的差异来确定逻辑状态是0还是1。承载这种类型的信号的一对导线被称为差分走线。 下面我们将探讨差分信号所具有的三个显著优势： a. 抗干扰能力强：由于两条差分走线之间耦合紧密，在存在外部噪声的情况下，这两条线路会几乎同时受到相同的影响。然而，接收端关注的是两个电压的差异值，因此这种共模噪声可以被完全抵消。 b. 能有效抑制 EMI（电磁干扰）：同样地，由于两条信号极性相反且相互靠近布局，它们对外辐射的电磁场能够互相中和掉大部分能量。耦合得越紧密，则释放到外部环境中的电磁能量就越少。 c. 精确的时间定位能力：差分信号的变化点位于两个电压波形交界处，并不依赖于高电平或低电平阈值来判断逻辑状态，因此不会受到工艺和温度变化的影响。这减少了时序上的误差，也更适合处理微弱的信号。 LVDS（Low Voltage Differential Signaling）即为一种小幅度差分信号技术的应用实例。 对于PCB工程师而言，在实际布局中确保充分发挥差分走线的优势是一项挑战。“等长、等距”是设计差分走线时的一般要求，其中“等长”的目的是为了保证两个电压始终保持反相状态；而“等距”则有助于保持两者之间的阻抗一致性。 然而在PCB的差分信号设计中存在一些常见的误解： 误区一：认为差分信号不需要地平面作为回流路径。这种错误观念通常源于对表面现象的理解不足，或是对于高速信号传输原理认识不够深入所致。 误区二：过分强调保持等间距的重要性而忽视了线长匹配的要求。在实际操作中往往难以同时满足这两项要求。 误区三：认为差分走线必须紧紧相邻布置在一起。 如何确保良好的隔离与屏蔽效果呢？增加与其他信号线路的距离是最基本的方法之一，因为电磁场能量会随着距离的平方关系迅速衰减；一般而言，当两根导线间距超过四倍于它们宽度时，相互间的干扰可以忽略不计。此外，通过地平面进行隔离同样能起到很好的屏蔽作用，在高频IC封装设计中（例如10GHz以上的频率），这种被称为CPW结构的设计方法被广泛采用以实现严格的差分阻抗控制。另外，差分走线也可以分布在不同的信号层上。