PCB差分走線：你必須懂的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
來(lái)源：捷配
時(shí)間: 2025/12/29 09:19:54
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問(wèn)：什么是差分走線？為什么高頻高速信號(hào)都愛(ài)用它？
答：差分走線是高頻 PCB 設(shè)計(jì)中最常用的高速信號(hào)傳輸方式，它不是一條走線，而是一對(duì) “孿生” 走線 —— 兩條走線長(zhǎng)度相等、寬度相同、間距恒定，信號(hào)在兩條走線上以差分對(duì)的形式傳輸：一條走線上的信號(hào)是正相（V+），另一條是反相（V-），負(fù)載端接收的是兩條走線的信號(hào)差值（Vdiff=V+-V-）。
那為什么高頻高速信號(hào)都青睞差分走線呢？核心原因有三點(diǎn)。
第一，抗干擾能力超強(qiáng)。在差分走線中，兩條走線靠得很近，外界的電磁干擾（比如電源噪聲、其他信號(hào)線的串?dāng)_）會(huì)同時(shí)耦合到兩條走線上，形成大小相等、極性相同的共模噪聲。而負(fù)載端只關(guān)心兩條走線的信號(hào)差值，共模噪聲會(huì)被自然抵消，所以差分走線能在嘈雜的電磁環(huán)境中，穩(wěn)定傳輸清晰的信號(hào)。
打個(gè)比方，差分走線就像一對(duì)雙胞胎，他們一起出門(mén)，遇到的風(fēng)雨（外界干擾）是一樣的，回到家后，他們只需要對(duì)比彼此身上的差異，就能知道出門(mén)時(shí)發(fā)生的 “特殊事件”（有用信號(hào)），而那些共同經(jīng)歷的風(fēng)雨，會(huì)被忽略掉。
第二，電磁輻射小。因?yàn)椴罘肿呔€的兩個(gè)信號(hào)極性相反，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也相反，兩個(gè)磁場(chǎng)會(huì)相互抵消，對(duì)外的電磁輻射就會(huì)大幅降低，這能有效減少 PCB 的 EMI，讓產(chǎn)品更容易通過(guò) EMC 認(rèn)證。
第三，能精準(zhǔn)控制阻抗。差分走線的阻抗是 “差分阻抗”，指的是兩條走線之間的阻抗，常見(jiàn)的差分阻抗值有 90Ω、100Ω、120Ω 等。和單端阻抗一樣，差分阻抗也可以通過(guò)調(diào)整走線寬度、間距、介質(zhì)厚度來(lái)精準(zhǔn)控制，而且差分走線的阻抗穩(wěn)定性比單端走線更好，更適合高頻信號(hào)傳輸。
問(wèn)：差分走線設(shè)計(jì)時(shí)，“等長(zhǎng)” 是必須的嗎？不等長(zhǎng)會(huì)有什么后果？
答：等長(zhǎng)是差分走線設(shè)計(jì)的第一鐵律，沒(méi)有商量的余地。咱們剛才說(shuō)過(guò)，差分信號(hào)的核心是負(fù)載端接收兩條走線的信號(hào)差值，如果兩條走線長(zhǎng)度不一樣，信號(hào)到達(dá)負(fù)載端的時(shí)間就會(huì)不同，出現(xiàn) “時(shí)延差”。
時(shí)延差會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題呢？首先，信號(hào)的相位差會(huì)發(fā)生變化，原本反相的兩個(gè)信號(hào)，不再是嚴(yán)格的反相關(guān)系，負(fù)載端計(jì)算差值時(shí)，有用信號(hào)會(huì)被削弱；其次，時(shí)延差會(huì)引入共模噪聲 —— 因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)不同步，外界干擾就不能被完全抵消，抗干擾能力會(huì)大打折扣；最后，在高頻高速電路中，時(shí)延差還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形失真，出現(xiàn)誤碼，嚴(yán)重影響通信的穩(wěn)定性。
比如咱們?cè)O(shè)計(jì) USB3.0 的差分走線，規(guī)范要求兩條走線的長(zhǎng)度差不能超過(guò) 5mil（1mil=0.0254mm），如果超過(guò)這個(gè)范圍，USB 的傳輸速度就會(huì)下降，甚至出現(xiàn)設(shè)備識(shí)別失敗的情況。
那怎么保證差分走線等長(zhǎng)呢？如果走線需要繞線，就要采用 “蛇形走線” 的方式來(lái)補(bǔ)償長(zhǎng)度差。但要注意，蛇形走線會(huì)增加走線的電感，可能會(huì)影響信號(hào)傳輸，所以繞線時(shí)要盡量減少蛇形的數(shù)量和長(zhǎng)度，只要滿足等長(zhǎng)要求就行。
問(wèn)：差分走線的間距要怎么控制？是越近越好嗎？
答：差分走線的間距控制，核心是為了保證差分阻抗的穩(wěn)定，不是越近越好，也不是越遠(yuǎn)越好，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求的差分阻抗值來(lái)確定。
咱們之前說(shuō)過(guò)，差分阻抗是由走線寬度、間距、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)共同決定的。在其他參數(shù)不變的情況下，走線間距越小，差分阻抗就越低；間距越大，差分阻抗就越高。比如我們要設(shè)計(jì) 100Ω 的差分阻抗走線，根據(jù)板材的介電常數(shù)和介質(zhì)厚度，計(jì)算出走線寬度是 0.25mm，間距是 0.3mm，那這個(gè)間距就是最優(yōu)間距，不能隨便改。
如果間距太小，除了會(huì)導(dǎo)致差分阻抗不達(dá)標(biāo)，還可能增加走線之間的寄生電容，影響信號(hào)的傳輸速度；如果間距太大，差分走線的 “耦合效應(yīng)” 會(huì)減弱，抗干擾能力和輻射抑制能力都會(huì)下降，就失去了差分走線的優(yōu)勢(shì)。
還有一個(gè)要注意的點(diǎn)：差分走線的間距要全程保持恒定，不能忽寬忽窄。如果間距變化，差分阻抗就會(huì)跟著變化，信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，導(dǎo)致波形失真。比如在走線轉(zhuǎn)彎的地方，要注意保持間距不變，最好采用圓弧轉(zhuǎn)彎，避免間距被拉大或縮小。
問(wèn)：差分走線需要做阻抗匹配嗎？和單端走線的匹配方式有什么不同？
答：當(dāng)然需要，阻抗匹配是所有高頻信號(hào)傳輸?shù)暮诵囊?，差分走線也不例外。不過(guò)差分走線的阻抗匹配是差分阻抗匹配，和單端走線的單端阻抗匹配，方式上有一些區(qū)別。
單端走線的阻抗匹配，通常是在信號(hào)的源端或負(fù)載端，串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)電阻，讓電阻的阻值等于傳輸線的單端阻抗，比如 50Ω 的單端走線，就匹配 50Ω 的電阻。
而差分走線的阻抗匹配，是要讓負(fù)載的差分阻抗等于傳輸線的差分阻抗。常見(jiàn)的差分阻抗匹配方式有兩種：一種是端接差分電阻，在差分走線的負(fù)載端，跨接一個(gè)電阻，電阻的阻值等于差分阻抗值，比如 100Ω 的差分走線，就跨接一個(gè) 100Ω 的電阻；另一種是對(duì)稱(chēng)端接單端電阻，在兩條差分走線的負(fù)載端，分別對(duì)地接一個(gè)電阻，兩個(gè)電阻的阻值之和等于差分阻抗值，比如 100Ω 的差分走線，每條走線對(duì)地接一個(gè) 50Ω 的電阻。
具體采用哪種匹配方式，要根據(jù)芯片的要求和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)決定。比如一些高速差分芯片，內(nèi)部已經(jīng)集成了差分端接電阻，外部就不需要再額外加電阻了；如果芯片內(nèi)部沒(méi)有集成，就需要在外部設(shè)計(jì)端接電阻。
差分走線是高頻 PCB 信號(hào)傳輸?shù)?“利器”，但用好它的關(guān)鍵是抓住 “等長(zhǎng)、等寬、等間距” 這三個(gè)核心要點(diǎn)，再配合精準(zhǔn)的差分阻抗匹配，就能讓高頻高速信號(hào)傳輸?shù)糜址€(wěn)又快。
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