差分線是 PCB 設(shè)計(jì)中非常重要的一部分信號(hào)線，信號(hào)處理要求也是相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)，今天為大家介紹下差分信號(hào)的原理以及其在 PCB 設(shè)計(jì)中的處理方法。

什么是差分信號(hào)

差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相差 180 度，極性相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。

差分信號(hào)與單端信號(hào)的區(qū)別

單端信號(hào)指的是用一個(gè)線傳輸?shù)男盘?hào)，一根線沒參考點(diǎn)怎么會(huì)有信號(hào)呢？參考點(diǎn)就是地啊。也就是說，單端信號(hào)是在一跟導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地之間的電平差。那么當(dāng)你把信號(hào)從 A 點(diǎn)傳遞到 B 點(diǎn)的時(shí)候，有一個(gè)前提就是 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢應(yīng)該差不多是一樣的。

差分信號(hào)指的是用兩根線傳輸?shù)男盘?hào)，傳輸?shù)氖莾筛盘?hào)之間的電平差。當(dāng)你把信號(hào)從 A 點(diǎn)傳遞到 B 點(diǎn)的時(shí)候，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢可以一樣也可以不一樣，但是 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢差有一個(gè)范圍，超過這個(gè)范圍就會(huì)出問題了。

一個(gè)差分信號(hào)是用一個(gè)數(shù)值來表示兩個(gè)物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對于另一個(gè)電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)地被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)?shù)禺?dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因?yàn)樾盘?hào)是用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來表示的。

另一方面，一個(gè)差分信號(hào)作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號(hào)值是兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。我們用一個(gè)方法對差分信號(hào)做一下比喻，差分信號(hào)就好比是蹺蹺板上的兩個(gè)人，當(dāng)一個(gè)人被蹺上去的時(shí)候，另一個(gè)人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個(gè)人都是同一水平。這兩個(gè)蹺蹺板用一對標(biāo)識(shí)為 V+和 V- 的導(dǎo)線來表示。當(dāng) V+>V- 時(shí)，信號(hào)定義成正極信號(hào)，當(dāng) V+

差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)一，相對于單端信號(hào)，差分信號(hào)減小了潛在的電磁干擾（EMI）。使用差分方式傳輸，信號(hào)的電壓峰峰值會(huì)被放大了一倍，但是單根線上的電流卻保持不變。如果采用傳統(tǒng)的單線傳輸方式，在驅(qū)動(dòng)相同的信號(hào)時(shí)，更容易造成 EMI 問題。

優(yōu)點(diǎn)二，差分信號(hào)的值很大程度上與“地”的精確值無關(guān)，能很好的抵抗電源的干擾。在一個(gè)地做基準(zhǔn)，單端信號(hào)方案的系統(tǒng)里，測量信號(hào)的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)地的一致性。信號(hào)源和信號(hào)接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號(hào)恢復(fù)的信號(hào)值在很大程度上與地的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。假如兩條信號(hào)都收到同樣的（同向、等幅度）的干擾信號(hào)，由于接收端是對接收的兩條線信號(hào)進(jìn)行減法處理，因此干擾信號(hào)會(huì)被基本抵消。也就是說，一個(gè)差分放大器的輸入有效信號(hào)幅度只需要幾毫伏，但是它卻能夠?qū)σ粋€(gè)高達(dá)幾伏特的共模信號(hào)無動(dòng)于衷。

優(yōu)點(diǎn)三，差分對內(nèi)每根信號(hào)都有自己的返回路徑，能夠減輕信號(hào)跨分割帶來的影響。單線跨分割對傳輸線的影響很大，差分線對跨分割就不是那么敏感，主要原因就是，差分對兩線可以互為參考，兩根線可以相互作為返回路徑。

差分信號(hào)在做 pcb 設(shè)計(jì)時(shí)的處理方法

一般我們在做 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，習(xí)慣的硬件命名上，會(huì)在差分信號(hào)的信號(hào)名尾部加“+”和“-”或者“P”和“N”作為標(biāo)識(shí)，大家可以通過命名來識(shí)別差分信號(hào)。常規(guī)的差分信號(hào)處理方法是：

1、 差分信號(hào)走線要耦合處理，就是 2 根信號(hào)線在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)是緊挨著的，不允許分開走線，如下圖示。

2、一對差分信號(hào)的 2 根信號(hào)線之間需要做等長處理，等長范圍為 5mil，等長不需要做到更小，有仿真驗(yàn)證，等長范圍做到 5mil 以下（1mil）并不能對信號(hào)質(zhì)量有很大提升。等長處理的位置選擇在產(chǎn)生長度誤差的地方，等長需要做小波浪處理。如下圖示。

審核編輯：何安