#0828-PCB设计中差分对是什么

#一、一句话概括

差分对（Differential Pair）是PCB上一对长度相等、间距固定、并行走的信号线。它们携带两个幅度相等、相位相反的信号。接收端通过检测这两根线之间的电压差来判断逻辑状态（0或1）。

它是一种用于高速数据传输（如USB、HDMI、PCIe、SATA等）的关键布线技术。

#二、工作原理：为什么需要差分对？

要理解差分对，最好先对比传统的单端信号。

1. 单端信号（Single-Ended Signal）：

   • 如何工作：一根信号线携带数据，以地平面（GND）或电源平面作为电压参考点。接收端判断信号线对地的电压高低来确定是1还是0。
   • 缺点：
     • 抗干扰能力差：外部的电磁干扰（EMI）会同时耦合到信号线和参考平面上，但耦合程度可能不同，这会改变信号对地的电压，导致信号失真或错误。
     • 电磁辐射强：信号电流的回路面积较大，会产生较强的电磁辐射。
     • 参考平面依赖性强：如果地平面不完整或有噪声，会直接影响信号质量。

2. 差分信号（Differential Signal）：

   • 如何工作：同时发送一对信号（D+和D-）。一个是原始信号，另一个是其反相信号。
     • 发送逻辑“1”：D+ = +V， D- = -V。电压差 Vdiff = (+V) - (-V) = +2V
     • 发送逻辑“0”：D+ = -V， D- = +V。电压差 Vdiff = (-V) - (+V) = -2V
   • 接收端：不关心对地的绝对电压，只关心D+和D-之间的电压差。

#三、差分对的核心优势

正是因为这种“一正一反”的工作方式，差分对拥有了巨大的优势：

1. 超强的抗干扰能力（共模噪声抑制）

   • 外部的干扰噪声（EMI）会几乎同等地耦合到差分对的两根线上。这被称为共模噪声。
   • 当接收端计算电压差时：(D+ + Noise) - (D- + Noise) = D+ - D-。
   • 噪声被完美地抵消掉了！这是差分信号最核心、最强大的优势。

2. 更低的电磁辐射（EMI）

   • 两根线产生的磁场大小相等、方向相反，会相互抵消，从而显著减少向外的电磁辐射，更容易通过电磁兼容性（EMC）测试。

3. 时序精确，抗串扰能力强

   • 由于两根线紧密耦合，任何外部噪声或来自其他信号的串扰对它们的影响几乎是相同的（共模），会被接收端差分掉。
   • 返回电流主要局限在两根线之间，对参考平面的依赖性降低，减少了地弹噪声等问题。

4. 对参考平面依赖小

   • 信号的返回路径主要是另一根差分信号线，而不是地平面。这使得即使地平面略有瑕疵，差分信号也能保持较好的完整性。

#四、PCB设计差分对的关键规则

设计好一个差分对并非简单地把两根线并行走就行，必须遵循严格的规则：

1. 等长（Length Matching）：

   • 为什么：信号在PCB上的传播需要时间。如果两条线长度不等，反相信号就无法同时到达接收端，会导致电压差计算错误，产生时序问题。
   • 怎么做：通过绕线（Serpentine）的方式将较短的线绕到与较长的线等长。长度误差通常要控制在几个mil（千分之一英寸）以内，具体值由信号速率和时序要求决定。

2. 等距（Constant Spacing）：

   • 为什么：保持固定的间距是为了确保两根线之间的差分阻抗恒定。阻抗突变会引起信号反射，劣化信号质量。
   • 怎么做：在整个走线过程中，使用PCB设计软件的差分对布线功能，保持间距一致。

3. 差分阻抗控制（Differential Impedance）：

   • 为什么：这是差分对设计的核心目标。阻抗必须与驱动端和接收端的阻抗匹配（例如USB2.0的差分阻抗通常是90Ω ±10%）。
   • 怎么做：阻抗由线宽（W）、线间距（S）、铜箔厚度（T）和介质层厚度（H）/介电常数（Er）共同决定。需要使用阻抗计算工具（如Si9000）进行计算，并通过PCB叠层设置来实现。

4. 对称性（Symmetry）：

   • 走线应尽可能对称。过孔数量、拐角方式（最好用45°角而非90°角）最好保持一致。

5. 与其他信号线的隔离：

   • 差分对之间应保持足够的间距（通常是线宽的3-5倍），以避免不同差分对之间的串扰。

#总结与类比

一个生动的比喻： 单端信号就像一个人在大风中艰难地喊话，风声（噪声）会淹没他的声音。 差分信号就像两个人在大风中背对背喊出一正一反的密语，你只需要比较他们的话是否相反，就能轻易排除风声的干扰，听懂信息。

因此，在高速PCB设计中，差分对是保证信号完整性和系统稳定性的不可或缺的技术。