差分线对在高速PCB设计中的应用.pdf

差分线对在高速 PCB 设计中的应用
摘要:在高速数字电路设计过程中,工程师采取了各种措施来解决信号完整性问题,利用差
分线传输高速数字信号的方法就是其中之一。在 PCB 中的差分线是耦合带状线或耦合微带
线,信号在上面传输时是奇模传输方式,因此差分信号具有抗干扰性强,易匹配等优点。
随着人们对数字电路的信息传输速率要求的提高,信号的差分传输方式必将得到越来越广
泛的应用。
1 用差分线传输数字信号
如何在高速系统设计中考虑信号完整性的因素,并采取有效的控制措施,已成为当今
国内外系统设计工程师和 PCB 设计业界的一个热门课题。利用差分线传输数字信号就是高
速数字电路中控制破坏信号完整性因素的一项有效措施。
在印刷电路板上的差分线,等效于工作在准 TEM 模的差分的微波集成传输线对,其中,
位于 PCB 顶层或底层的差分线等效于耦合微带线;位于多层 PCB 的内层的差分线,正负两
路信号在同一层的,等效于侧边耦合带状线,正负两路在相邻层的,等效于宽边耦合带状
线。数字信号在差分线上传输时是奇模传输方式,即正负两路信号的相位相差 180°,而噪
声以共模的方式在一对差分线上耦合出现,在接受器中正负两路的电压(或电流)相减,从
而可以获得信号,消除共模噪声。而差分线对的低压幅或电流驱动输出实现了高速集成功
耗的要求。
2 差分线的阻抗匹配
差分线是分布参数系统,因此在设计 PCB 时必须进行阻抗匹配,否则信号将会在阻抗
不连续的地方发生反射,信号反射在数字波形上主要表现为上冲、下冲和振铃现象。式(1)
是一个信号的上升沿(幅度为 EG)从驱动端经过差分传输线到接收端的频率响应:

其中信号源的电动势为 EG,内阻抗为:ZG,负载阻抗为 ZL;Hl(ω)为传输线的系统函
数;ΓL 和ΓG 分别是信号接收端和信号驱动端的反射系数,由以下两式表示:

由式(1)可以看出,传输线上的电压是由从信号源向负载传输的入射波和从负载向信号
源传输的反射波的叠加。只要我们通过阻抗匹配使ΓL 和ΓG 等于 0,就可以消除信号反射
现象。在实际工程应用中,一般只要求ΓL=0,这是因为只要接收端不发生信号反射,就不
会有信号反射回源端并发生源端反射。
由式(3)可知,如果ΓL =0,则必须 ZL=Z0,即传输线的特性阻抗等于终端负载的电阻
值。传输线的特性阻抗可以由有关软件计算出来,它和差分线的线宽、线距及相邻介质的
介电常数有关,一般把差分线的特性阻抗控制在 100Ω左右。值得注意的是,一个差分信
号在多层 PCB 的不同层传输时(特别是内外层都走线时),要及时调整线宽线距来补偿因为
介质的介电常数变化带来的特性阻抗变化。终端负载电阻的控制要根据不同的逻辑电平接
口,来选择适当的电阻网络和负载并联,以达到阻抗匹配的目的。
3 差分线的端接
差分线的端接要满足 2 方面的要求:逻辑电平的工艺要求和传输线阻抗匹配的要求。
因此,不同的逻辑电平工艺要采用不同的端接。本文主要介绍 2 种常见的适于高速数传的
电平的端接方法:
①LVDS 电平信号的端接。
LVDS 是一种低摆幅的差分信号技术,它上面的信号可以以几百 Mbps 的速