【導讀】“眾人拾柴火焰高” ——資源整合通常會(huì )帶來(lái)更好的結果。畢竟 “三個(gè)臭皮匠，頂個(gè)諸葛亮”，在電子領(lǐng)域也是如此：較之單一的走線(xiàn)，差分對布線(xiàn)更受青睞。
本文要點(diǎn)
●PCB 差分對的基礎知識。
●差分對布線(xiàn)指南，實(shí)現更好的布線(xiàn)設計。
●高效利用 PCB 設計工具。
“眾人拾柴火焰高” ——資源整合通常會(huì )帶來(lái)更好的結果。畢竟 “三個(gè)臭皮匠，頂個(gè)諸葛亮”，在電子領(lǐng)域也是如此：較之單一的走線(xiàn)，差分對布線(xiàn)更受青睞。
不過(guò)，差分對布線(xiàn)可能沒(méi)那么容易，因為它們必須遵循特定的規則，這樣才能確保信號的性能。這些規則決定了一些細節，如差分對的走線(xiàn)寬度和間距，以及許多其他方面，如導線(xiàn)如何在電路板上一起布線(xiàn)。如果使用了大量的差分對，即使設計師已經(jīng)為每個(gè)信號布設了兩條單獨的走線(xiàn)，也會(huì )對電路板其他部分的布線(xiàn)產(chǎn)生很大的影響。本文將詳細介紹差分對的布線(xiàn)和一些需要注意的潛在問(wèn)題。
1. PCB 差分對的基礎知識
在開(kāi)始了解差分對布線(xiàn)的潛在困難和解決方案之前，先回顧一下基礎知識。有過(guò) PCB layout 經(jīng)驗的人一定熟悉單端信號。單端信號是指在一條走線(xiàn)上傳輸信號，然后使用一個(gè)共同的參考平面作為信號的返回路徑。當我們在電路板上布線(xiàn)時(shí)，接地平面是信號的返回路徑，這就是單端信號。大多數 PCB 網(wǎng)絡(luò )都是這樣布線(xiàn)的。
然而，這種布線(xiàn)方式有一個(gè)問(wèn)題：隨著(zhù)傳輸線(xiàn)速度提高，單端信號可能會(huì )受到一些問(wèn)題的影響，包括串擾噪音和電磁干擾 (EMI)。此時(shí)，差分信號就派上了用場(chǎng)。
差分信號使用兩個(gè)互補的信號來(lái)傳輸一個(gè)數據信號，但第二個(gè)信號與第一個(gè)信號的相位相反。信號接收器使用反相和同相信號之間的差異來(lái)破譯信息。使用差分對布線(xiàn)傳輸信號有一些重要的好處，首先是能減少噪音和 EMI：
●傳入的干擾將被均等地添加到反相和同相的信號中。由于接收器是對兩個(gè)信號之間的差異作出反應，無(wú)論是否受到影響，影響都是最小的。與影響單端信號的干擾相比，這樣的性能要好得多。
●差分對的電磁場(chǎng)大小相等，但極性相反，因此來(lái)自?xún)蓷l走線(xiàn)的干擾通?？梢韵嗷サ窒?。
印刷電路板上的差分對布線(xiàn)
與單端信號相比，差分對還有一個(gè)優(yōu)勢，那就是它們可以在較低的電壓下工作。單條走線(xiàn)必須在較高的電壓下工作，以確保其信噪比 (SNR) 足以抵御任何傳入的噪聲。差分對對噪聲的抗干擾能力更強，因此需要的電壓更低，這提供了一些額外的好處：
●所需的電壓更低意味著(zhù)功耗也更低。
●信號的電壓轉換將更小，有助于確保電路板的電源完整性。
●在較低的信號電壓下可以使用較高的工作頻率。
●電壓越低，輻射的 EMI 就越少。
如上所述，在電路板上使用差分信號有諸多好處，但也要付出一些代價(jià)。
2. PCB layout 中與差分對相關(guān)的問(wèn)題
如上文所述，使用差分對布線(xiàn)有諸多好處，但也有一些缺點(diǎn)。第一個(gè)也是最明顯的問(wèn)題是，必須為每個(gè)信號布設兩條走線(xiàn)。這不僅使電路板上的布線(xiàn)量增加了一倍，而且由于差分對有額外的規則，還會(huì )占用更多的空間。我們來(lái)看看設計師在進(jìn)行差分對布線(xiàn)時(shí)不得不面對的一些難題。
差分對中兩條走線(xiàn)的長(cháng)度必須相等
差分對的一大優(yōu)勢是，通過(guò)兩個(gè)極性相反的均等信號來(lái)代表信號，可以消除噪聲和 EMI。但如果線(xiàn)路的長(cháng)度不相等，這種平衡就會(huì )遭到破壞，并可能反過(guò)來(lái)產(chǎn)生共模噪聲和嚴重的 EMI 問(wèn)題。如果線(xiàn)路的長(cháng)度不一致，信號的上升和下降時(shí)間越長(cháng)，問(wèn)題就會(huì )越嚴重。
差分對走線(xiàn)的寬度和間距必須始終保持一致
走線(xiàn)靠得越近，差分對之間的耦合性就越好。然而，當走線(xiàn)的間距發(fā)生變化時(shí)，差分阻抗也會(huì )發(fā)生變化，從而導致阻抗不匹配以及額外的潛在噪聲和 EMI。
為了避免這種情況，差分對必須一起布線(xiàn)，并且寬度要相同，當在電路板上的障礙物（如過(guò)孔或較小的器件）周?chē)M(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，這可能是個(gè)難題。
示例：不在障礙物周?chē)M(jìn)行差分對布線(xiàn)
為了讓差分對布線(xiàn)發(fā)揮最佳性能，要遵循一些基本規則，接下來(lái)將一一討論。
3. 差分對布線(xiàn)指南
為了在電路板上獲得最佳的信號性能和完整性，以下是 PCB 設計師需要注意的一些差分對布線(xiàn)規則：
差分對需要一起布線(xiàn)
對于布線(xiàn)團隊來(lái)說(shuō)，差分對的兩條走線(xiàn)需要清楚地標記為差分對，以便在信號的整個(gè)長(cháng)度上一起布線(xiàn)。
●如果可能的話(huà)，盡量避免使用過(guò)孔。如果必須要使用，應該對稱(chēng)擺放一對過(guò)孔。盡量使過(guò)孔靠得很近，它們相對于布線(xiàn)焊盤(pán)的位置應該是均等的。
●最好使用內層布線(xiàn)，以盡量減少串擾，但這意味著(zhù)使用過(guò)孔過(guò)渡到各層。
●確保差分對與其他走線(xiàn)彼此分離。通常，間隔距離應為正常走線(xiàn)寬度間距的三倍。
●如果可能的話(huà)，考慮在相鄰的信號層上進(jìn)行側面差分對布線(xiàn)。這將帶來(lái)更高的布線(xiàn)密度和更好的串擾控制。
兩條走線(xiàn)之間的布線(xiàn)保持對稱(chēng)
成功的差分對布線(xiàn)應該使兩條線(xiàn)路之間形成鏡像。要做到這一點(diǎn)，在布線(xiàn)時(shí)要考慮：
●規劃布線(xiàn)方式，避免障礙物，如過(guò)孔或無(wú)源器件，以保持差分對的對稱(chēng)性（如上圖所示）。
●規劃焊盤(pán)入口和出口的布線(xiàn)，使走線(xiàn)之間盡可能形成鏡像。
●在走線(xiàn)的整個(gè)長(cháng)度上使用相同的走線(xiàn)寬度。
●差分對走線(xiàn)之間的間距保持一致。
●差分對走線(xiàn)的長(cháng)度保持一致
如前所述，差分對走線(xiàn)的長(cháng)度必須是相同的。為此，可以在較短的那條線(xiàn)路上添加蛇形走線(xiàn)，使兩者長(cháng)度相等。雖然這將稍微改變線(xiàn)路的對稱(chēng)性，但長(cháng)度相等更加重要。如果長(cháng)度不均等是由于焊盤(pán)位置不對稱(chēng)，可試著(zhù)在線(xiàn)路的這個(gè)區域添加蛇形走線(xiàn)。
雖然在進(jìn)行差分對布線(xiàn)時(shí)需要關(guān)注很多問(wèn)題，但 PCB 設計 CAD 工具通常有很多功能，可以幫助我們配置差分對布線(xiàn)的方式。
Cadence Allegro PCB Designer 約束管理器中的差分對布線(xiàn)規則
使用PCB CAD 工具進(jìn)行差分對布線(xiàn)
曾幾何時(shí)，PCB layout 設計師只能手動(dòng)進(jìn)行差分對布線(xiàn)。他們需要花費大量精力來(lái)確保線(xiàn)路保持對稱(chēng)，而在布線(xiàn)之后再修改走線(xiàn)堪稱(chēng)一場(chǎng)噩夢(mèng)?，F在， Cadence Allegro PCB Designer 這樣的工具提供了自動(dòng)的差分對布線(xiàn)功能，在布線(xiàn)時(shí)可以輕松確保差分對之間保持適當的寬度和間距。此外，還可以添加規則和約束，以管理差分對的各個(gè)方面。
在上圖中可以看到，Cadence 的 PCB layout 工具中使用 Constraint Manager 來(lái)管理包括差分對在內的不同設計規則。其中包括走線(xiàn)的寬度和間距，允許走線(xiàn)蜿蜒的長(cháng)度，以及布線(xiàn)圖，包括焊盤(pán)的入口和出口。借助這一工具，我們可以為差分對輸入所有相關(guān)的規則，確保它們符合具體的電路需求。
（文章來(lái)源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心）
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