差分信号线的分析和LAYOUT

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1、差分信号线的分析和LAYOUT随着近几年对速率的要求迅速提高，新的总线协议不断的提出更高的速率。传统的总线协议已经不能够满足要求了。串行总线由于更好的抗干扰性，和更少的信号线，更高的速率获得了众多设计者的青睐。而串行总线又尤以差分信号的方式为最多。所以在这篇文中整理了些有关差分信号线的设计和大家探讨。1.差分信号线的原理和优缺点差分信号（DifferentialSignal）在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计，什么令它这么倍受青睐呢？在PCB设计中又如何能保证其

2、良好的性能呢？带着这两个问题，我们进行下一部分的讨论。何为差分信号？通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：a、抗干扰能力强：因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。b、能有效抑制EMI：同样的道理，由于两根信号的极性相反，

3、他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，如图在A-A的电流是从右到左，那B-B的是从左到右，那么按右手螺旋定则，那他们的磁力线是互相抵消的。耦合的越紧密，互相抵消的磁力线就越多。泄放到外界的电磁能量越少。c、.时序定位精确：由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（lowvoltagedifferentialsignaling）就是指这种小振幅差分信号技术。2.差分信

4、号的一个实例：LVDSLVDS（LowVoltageDifferentialSignaling）是一种低摆幅的电流型差分信号技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成（通常电流为3.5mA），LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过100Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350mA的电压。当驱动器翻转时，它改变流经电阻的电流方向，因此产生有效的逻辑″1″

5、和逻辑″0″状态。低摆幅驱动信号实现了高速操作并减小了功率消耗，差分信号提供了适当噪声边缘和功率消耗大幅减少的低压摆幅。功率的大幅降低允许在单个集成电路上集成多个接口驱动器和接收器。这提高了PCB板的效能，减少了成本。不管使用的LVDS传输媒质是PCB线对还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射，同时减少电磁干扰。LVDS要求使用一个与媒质相匹配的终端电阻（100±20Ω），该电阻终止了环流信号，应该将它尽可能靠近接收器输入端放置。LVDS驱动器能以超过155.5Mbps的速度驱动双绞线对，距

6、离超过１0m。对速度的实际限制是：①送到驱动器的TTL数据的速度；②媒质的带宽性能。通常在驱动器侧使用复用器、在接收器侧使用解复用器来实现多个TTL信道和一个LVDS信道的复用转换，以提高信号速率，降低功耗。并减少传输媒质和接口数，降低设备复杂性。LVDS接收器可以承受至少±1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化。由于LVDS驱动器典型的偏置电压为+1.2V，地的电压变化、驱动器偏置电压以及轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端相对于接收器的地是共模电压。这个共模范围是：+0.2V～+2.2V。建议接收

7、器的输入电压范围为：0V～+2.4V。3.差分信号的布线要求：对于PCB工程师来说，最关注的还是如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求，即差分对的布线有两点要注意，一是两条线的长度要尽量一样长，等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。另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变，也就是要保持平行。平行的方式有两种，一为两条线走在同一走线层(side-by-side)，一为两条线走在上下相邻两层(over-u

8、nder)。一般以前者side-by-side实现的方式较多。等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致，减少反射。对差分对的布线方式应该要适当的靠近且平行。所谓适当的靠近是因为这间距会影响到差分阻抗(differentialimpedance)的值,此值是设计差分对的重要参数。需要平行也是因为要保持差分阻抗的一致性。若两线忽远忽近,差分阻抗就会不一致,就会影响信号完整性(signalintegrity)及时间延迟(timingdelay)。下面