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PCB 差分對的基礎知識

在開始了解差分對布線的潛在困難和解決方案之前，先回顧一下基礎知識。有過 PCB layout 經驗的人一定熟悉單端信號。單端信號是指在一條走線上傳輸信號，然后使用一個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時，接地平面是信號的返回路徑，這就是單端信號。大多數 PCB 網絡都是這樣布線的。

然而，這種布線方式有一個問題：隨著傳輸線速度提高，單端信號可能會受到一些問題的影響，包括串擾噪音和電磁干擾 (EMI)。此時，差分信號就派上了用場。

差分信號使用兩個互補的信號來傳輸一個數據信號，但第二個信號與第一個信號的相位相反。信號接收器使用反相和同相信號之間的差異來破譯信息。使用差分對布線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信號之間的差異作出反應，無論是否受到影響，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。

差分對的電磁場大小相等，但極性相反，因此來自兩條走線的干擾通常可以相互抵消。

與單端信號相比，差分對還有一個優勢，那就是它們可以在較低的電壓下工作。單條走線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。

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PCB layout 中與差分對相關的問題

如上文所述，使用差分對布線有諸多好處，但也有一些缺點。第一個也是最明顯的問題是，必須為每個信號布設兩條走線。這不僅使電路板上的布線量增加了一倍，而且由于差分對有額外的規則，還會占用更多的空間。我們來看看設計師在進行差分對布線時不得不面對的一些難題。

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差分對中兩條走線的長度必須相等

差分對的一大優勢是，通過兩個極性相反的均等信號來代表信號，可以消除噪聲和 EMI。但如果線路的長度不相等，這種平衡就會遭到破壞，并可能反過來產生共模噪聲和嚴重的 EMI 問題。如果線路的長度不一致，信號的上升和下降時間越長，問題就會越嚴重。

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差分對走線的寬度和間距必須始終保持一致

走線靠得越近，差分對之間的耦合性就越好。然而，當走線的間距發生變化時，差分阻抗也會發生變化，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，并且寬度要相同，當在電路板上的障礙物（如過孔或較小的器件）周圍進行布線時，這可能是個難題。

示例：不在障礙物周圍進行差分對布線

為了讓差分對布線發揮最佳性能，要遵循一些基本規則，接下來將一一討論。

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差分對布線指南

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規則：

差分對需要一起布線

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對于布線團隊來說，差分對的兩條走線需要清楚地標記為差分對，以便在信號的整個長度上一起布線。

如果可能的話，盡量避免使用過孔。如果必須要使用，應該對稱擺放一對過孔。盡量使過孔靠得很近，它們相對于布線焊盤的位置應該是均等的。

最好使用內層布線，以盡量減少串擾，但這意味著使用過孔過渡到各層。

確保差分對與其他走線彼此分離。通常，間隔距離應為正常走線寬度間距的三倍。

如果可能的話，考慮在相鄰的信號層上進行側面差分對布線。這將帶來更高的布線密度和更好的串擾控制。

兩條走線之間的布線保持對稱

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成功的差分對布線應該使兩條線路之間形成鏡像。要做到這一點，在布線時要考慮：

規劃布線方式，避免障礙物，如過孔或無源器件，以保持差分對的對稱性（如上圖所示）。

規劃焊盤入口和出口的布線，使走線之間盡可能形成鏡像。

在走線的整個長度上使用相同的走線寬度。

差分對走線之間的間距保持一致。

差分對走線的長度保持一致

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如前所述，差分對走線的長度必須是相同的。為此，可以在較短的那條線路上添加蛇形走線，使兩者長度相等。雖然這將稍微改變線路的對稱性，但長度相等更加重要。如果長度不均等是由于焊盤位置不對稱，可試著在線路的這個區域添加蛇形走線。

雖然在進行差分對布線時需要關注很多問題，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的方式。

Cadence Allegro PCB Designer 約束管理器中的差分對布線規則

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使用PCB CAD 工具進行差分對布線

曾幾何時，PCB layout 設計師只能手動進行差分對布線。他們需要花費大量精力來確保線路保持對稱，而在布線之后再修改走線堪稱一場噩夢。現在， Cadence Allegro PCB Designer 這樣的工具提供了自動的差分對布線功能，在布線時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方面。

在上圖中可以看到，Cadence 的 PCB layout 工具中使用 Constraint Manager 來管理包括差分對在內的不同設計規則。其中包括走線的寬度和間距，允許走線蜿蜒的長度，以及布線圖，包括焊盤的入口和出口。借助這一工具，我們可以為差分對輸入所有相關的規則，確保它們符合具體的電路需求。

審核編輯：劉清