高速应用的差分设计

在现代电子系统中，数据传输速度的快速增长带来了诸多挑战。当信号频率达到几百兆赫兹甚至数千兆赫兹时，传统的单端信号传输方式面临着信号完整性恶化、电磁干扰增强、功耗增加等问题。差分信号传输技术通过使用一对互补信号来传递信息，有效解决了这些高频应用中的关键问题。

差分设计不仅在高速数字通信、射频系统、高速ADC/DAC等领域得到广泛应用，还成为了现代高速接口标准（如USB 3.0、PCIe、SATA、DDR等）的核心技术。深入理解差分设计原理和掌握相关设计技术，对于现代电子工程师具有重要意义。

差分信号定义

差分信号是指用一对导线传输信号，其中一根传输原始信号，另一根传输与原始信号极性相反、幅度相等的信号。接收端通过检测这两个信号的差值来还原原始信息。在理想情况下，这两个信号的幅度相等但极性相反，其差值为原始信号的两倍。

差分信号的优势

抗噪声能力强：由于差分信号受到的共模噪声在两根导线上基本相同，通过差分检测可以有效抑制共模噪声。理论上，完全对称的差分系统可以完全消除共模干扰。

电磁干扰小：差分信号对产生的电磁场相互抵消，减少了对外部的电磁干扰。同时，差分结构对外部电磁场的敏感性也较低。

信号完整性好：差分传输可以提供更好的信号完整性，特别是在高频应用中，差分走线的串扰和反射问题相对较小。

功耗优化：在相同的信噪比要求下，差分信号可以使用较低的摆幅，从而降低功耗。

差分信号的应用

差分信号广泛用于以下应用：

•USB，12 MB/s

•火线（IEEE-1394），100/200/400 MB/s

•LVDS，> 400 MB/s

•以太网，10 MB/s，100 MB/s，1 GB/s

•光纤通道，1.0625 GB/s

•OC48，2.4 GB/s

•平板显示器接口

•背板

除了背板信号传输之外，所有的应用都具有一个共同特点，即需要使用外部电路来实现数据传输，且这些传输速率必须保持在较高水平。

这些电路设计用于最小化辐射噪声，减少更大距离上的损失。电路的数据速率范围从10 Mb/s到2.4 Gb/s及以上，频率达到1.2 GHz。所有这些都可以使用传统制造技术在FR4基板材料上实现。如前所述，在先进设计中采用差分信号传输有多种原因。噪声抑制和更高的有效信号电平都提高了有效的信号与噪声的比值，并降低错误率。

布线设计规则

长度匹配：差分对内的长度差异应控制在很小的范围内，通常要求在5-10密耳（mil）以内。长度不匹配会导致时序偏移，或影响信号质量。

间距控制：差分对内导线之间的间距应保持一致，通常间距与线宽的比例在1:1到3:1之间。间距过小会增加制造难度，过大会降低差分耦合效果。

对称性设计：差分对应尽可能保持对称，包括几何对称和电气对称。任何不对称都会破坏差分结构，降低系统性能。

层叠设计考虑

参考平面选择：差分走线应有良好的参考平面，通常选择完整的地平面或电源平面。参考平面的完整性直接影响信号完整性。

层间距离优化：信号层与参考平面之间的距离影响特征阻抗和信号完整性。距离过近会增加寄生电容，过远会增加环路电感。

多层板设计：在多层PCB设计中，应合理规划差分信号的走线层，避免跨越不连续的参考平面。

差分布局与布线

BGA案例

图中展示了在垫层技术中使用uvia实现的BGA差分避让布线特性。

外侧的“避让”区域位于顶部，而内侧的区域则位于第一层的内侧区域。

在电路上尽量减少端接电阻以及测试点的设置。

在整个电路板上采用一致的间距进行布线，以最大限度地增加布线“通道”的数量。

通道内的多层差分布线

通过保持在通道内布线可以实现最大密度和最小的对间串扰：

• 将走线定位在过孔阵列所定义的水平和垂直布线"通道"内。

• 优先布线水平或垂直分量最少的差分对。

使用引导线的曼哈顿距离来确定给定层内点对点连接的布线顺序。

单层差分扇出和布线

使用单层差分扇出和布线，减小导体宽度以允许进入和退出顶层上的BGA焊盘。

相邻层上的差分布线

• 当在相邻层上布线差分对时，交叉处应该保持90°角。

• 这有助于提高密度，如上述示例所示，在网络交换卡中，时钟信号必须在相邻的信号布线层上进行布线。

分离差分对导体

平衡对可以短距离分离以增加通道布线密度，而不会大幅降低所需的差分耦合。

这个10Gbit网络交换机背板的密度要求对耦合线进行一些分离，部分原因是向后兼容连接器的引脚排列。

在图片中，注意连接器引脚间距仅支持对角引脚之间45°角的"三线间隔"布线，这就必须进行分离。

随着系统性能要求的提升，差分设计需要支持更高的工作频率，这对电路设计和工艺技术提出了更高要求。在移动和便携式应用中，低功耗差分设计成为重要发展方向。片上差分系统的集成度不断提高，需要解决器件匹配、热管理等问题。

如今出现了不少的新兴技术，比如自适应差分系统：利用数字信号处理技术实现自适应均衡和失配校正。人工智能辅助设计：使用机器学习算法优化差分电路参数和布局。新材料应用：采用新型半导体材料和互连材料改善差分电路性能。

为昕Mars PCB差分线功能演示