差分信号的优缺点以及布线要求

在高速 PCB 设计中，差分信号的应用越来越广泛，这主要是因为和普通的单端信号走线相比，差分信号具有抗干扰能力强、能有效抑制 EMI、时序定位精确的优势。作为一名（准）PCB 设计工程师，我们当然需要充分理解差分信号！

关于差分信号
严格意义上来说，所有的电压信号都是“差分”的，因为一个电压总是相对另一个电压而言。但大部分情况下，我们会把“地”做为电压基准点，从而测得另一个电压值，这种信号被称为单端信号。由于是和“地”做比较，单端信号在 PCB 上的表现通常只有一根导线（Track）。

那什么是差分信号呢？区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相差 180 度，极性相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。

差分信号在 PCB 上的表现会有两根导线（Track）。

差分信号的优缺点
优点
1、抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为 0，即：噪声对信号的逻辑意义不产生影响。

2、能有效抑制电磁干扰（EMI）。由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。

3、时序定位准确。差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑 0/1 跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑 0/1 的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

缺点
若电路板的面积非常紧张，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面，而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小，以至于只能穿过一根走线的情况下。

差分信号布线要求
在 PCB 电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

1. 等长：等长是指两条线的长度要尽量一样长，是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性。减少共模分量。

2. 等宽、等距：等宽是指两条信号的走线宽度需要保持一致，等距是指两条线之间的间距要保持不变，保持平行。

3. 差分线彼此靠近，靠越近，回路面积越小，走线下面感应电流的回路面积也越小，对 EMI 控制也好。

4. 差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声。

提醒：在 PCB 布线规则中，有一条“关键信号线优先”的原则，即电源、摸拟信号、高速信号、时钟信号、差分信号和同步信号等关键信号优先布线。

审核编辑 黄昊宇