差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相同，相位相反。在這兩根線上的傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。信號(hào)接收端比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的邏輯狀態(tài)。在電路板上，差分走線必須是等長(zhǎng)、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。

從嚴(yán)格意義上來(lái)講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，"系統(tǒng)地"被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)'地'當(dāng)作電壓測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語(yǔ)是因?yàn)樾盘?hào)是用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來(lái)表示的。 另一方面，一個(gè)差分信號(hào)作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號(hào)值是兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。

可以想象，這兩個(gè)導(dǎo)體上被同時(shí)加入的一個(gè)相等的電壓，也就是所謂共模信號(hào)，對(duì)一個(gè)差分放大系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是沒(méi)有作用的，也就是說(shuō)，盡管一個(gè)差分放大器的輸入有效信號(hào)幅度只需要幾毫伏，但它卻可以對(duì)一個(gè)高達(dá)幾伏特的共模信號(hào)無(wú)動(dòng)于衷。這個(gè)指標(biāo)叫做差分放大器的共模抑制比（CMRR），一般的運(yùn)算放大器可以達(dá)到90db以上，高精度運(yùn)放甚至達(dá)到120db。因?yàn)楦蓴_信號(hào)一般是以共模信號(hào)的形式存在，所以差分信號(hào)的應(yīng)用極大地提高了放大器系統(tǒng)的信噪比。

差分信號(hào)（DifferenTIal Signal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，什么令它這么倍受青睞呢？在PCB設(shè)計(jì)中又如何能保證其良好的性能呢？帶著這兩個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行下一部分的討論。 何為差分信號(hào)？通俗地說(shuō)，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。

差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

2.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

3.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的 LVDS（low voltage differenTIal signaling）就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

對(duì)于PCB工程師來(lái)說(shuō)，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢(shì)。也許只要是接觸過(guò)Layout的人都會(huì)了解差分走線的一般要求，那就是“等長(zhǎng)、等距”。等長(zhǎng)是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)刻保持相反極性，減少共模分量；等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射?！氨M量靠近原則”有時(shí)候也是差分走線的要求之一。但所有這些規(guī)則都不是用來(lái)生搬硬套的，不少工程師似乎還不了解高速差分信號(hào)傳輸?shù)谋举|(zhì)。

布線策略布線非?？拷牟罘中盘?hào)對(duì)相互之間也會(huì)互相緊密耦合，這種互相之間的耦合會(huì)減小EMI發(fā)射，差分信號(hào)線的主要缺點(diǎn)是增加了PCB的面積，本文介紹電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中采用差分信號(hào)線布線的布線策略。 眾所周知，信號(hào)存在沿信號(hào)線或者PCB線下面?zhèn)鬏數(shù)奶匦?，即便我們可能并不熟悉單端模式布線策略，單端這個(gè)術(shù)語(yǔ)將信號(hào)的這種傳輸特性與差模和共模種信號(hào)傳輸方式區(qū)別開(kāi)來(lái)，后面這兩種信號(hào)傳輸方式通常更為復(fù)雜。

差分和共模方式差模信號(hào)通過(guò)一對(duì)信號(hào)線來(lái)傳輸。一個(gè)信號(hào)線上傳輸我們通常所理解的信號(hào)；另一個(gè)信號(hào)線上則傳輸一個(gè)等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號(hào)。差分和單端模式最初出現(xiàn)時(shí)差異不大，因?yàn)樗械男盘?hào)都存在回路。 單端模式的信號(hào)通常經(jīng)由一個(gè)零電壓的電路(或者稱為地)來(lái)返回。差分信號(hào)中的每一個(gè)信號(hào)都要通過(guò)地電路來(lái)返回。由于每一個(gè)信號(hào)對(duì)實(shí)際上是等值而反向的，所以返回電路就簡(jiǎn)單地互相抵消了，因此在零電壓或者是地電路上就不會(huì)出現(xiàn)差分信號(hào)返回的成分。 共模方式是指信號(hào)出現(xiàn)在一個(gè)(差分)信號(hào)線對(duì)的兩個(gè)信號(hào)線上，或者是同時(shí)出現(xiàn)在單端信號(hào)線和地上。對(duì)這個(gè)概念的理解并不直觀，因?yàn)楹茈y想象如何產(chǎn)生這樣的信號(hào)。這主要是因?yàn)橥ǔＮ覀儾⒉簧晒材Ｐ盘?hào)的緣故。共模信號(hào)絕大多數(shù)都是根據(jù)假想情況在電路中產(chǎn)生或者由鄰近的或外界的信號(hào)源耦合進(jìn)來(lái)的噪聲信號(hào)。共模信號(hào)幾乎總是“有害的”，許多設(shè)計(jì)規(guī)則就是專為預(yù)防共模信號(hào)出現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。

差分信號(hào)線的布線通常(當(dāng)然也有一些例外)差分信號(hào)也是高速信號(hào)，所以高速設(shè)計(jì)規(guī)則通常也都適用于差分信號(hào)的布線，特別是設(shè)計(jì)傳輸線這樣的信號(hào)線時(shí)更是如此。這就意味著我們必須非常謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)信號(hào)線的布線，以確保信號(hào)線的特征阻抗沿信號(hào)線各處連續(xù)并且保持一個(gè)常數(shù)。 在差分線對(duì)的布局布線過(guò)程中，我們希望差分線對(duì)中的兩個(gè)PCB線完全一致。這就意味著，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡最大的努力來(lái)確保差分線對(duì)中的PCB線具有完全一樣的阻抗并且布線的長(zhǎng)度也完全一致。差分PCB線通?？偸浅蓪?duì)布線，而且它們之間的距離沿線對(duì)的方向在任意位置都保持為一個(gè)常數(shù)不變。通常情況下，差分線對(duì)的布局布線總是盡可能地靠近。

下面重點(diǎn)討論一下PCB差分信號(hào)設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)。

誤區(qū)一：認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。差分電路對(duì)于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，哪一種就成為主要的回流通路。

在PCB電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10～20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒(méi)有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加 EMI，要盡量避免。也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號(hào)，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？不給共模信號(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成EMI輻射，這種做法弊大于利。

誤區(qū)二：認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)更重要。在實(shí)際的 PCB 布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)的要求。由于管腳分布，過(guò)孔，以及走線空間等因素存在，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長(zhǎng)匹配的目的，但帶來(lái)的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無(wú)法平行。PCB差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長(zhǎng)，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。

誤區(qū)三：認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。讓差分走線靠近無(wú)非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。雖說(shuō)這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對(duì)的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過(guò)彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制 EMI 的目的了。如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？增大與其它信號(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過(guò)4倍線寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過(guò)地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的（10G以上）IC封裝PCB設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用采用，被稱為 CPW 結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制（2Z0）。

差分走線也可以走在不同的信號(hào)層中，但一般不建議這種走法，因?yàn)椴煌膶赢a(chǎn)生的諸如阻抗、過(guò)孔的差別會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч?，引入共模噪聲。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會(huì)降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周圍走線適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個(gè)問(wèn)題。在一般頻率（GHz 以下），EMI也不會(huì)是很嚴(yán)重的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明，相距500Mils的差分走線，在3米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達(dá)到 60dB，足以滿足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過(guò)分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問(wèn)題。

誤區(qū)四差分曼切斯特編碼并不是差分信號(hào)的一種，它指的是用在每一位開(kāi)始時(shí)的電平跳變來(lái)表示邏輯狀態(tài)“0”，不跳變來(lái)表示邏輯狀態(tài)“1”。但每一位中間的跳變是用來(lái)做同步時(shí)鐘，沒(méi)有邏輯意義。

誤區(qū)五雙絞線上面走的不一定是差分信號(hào)，單端信號(hào)在雙絞線上的電磁輻射也比平行走線的輻射小。