信号完整性之差分对

差分传输

差分互连方式中，使用两条传输线来传输信号。
差分驱动器有两个输出端，这两个输出端同时输出信号。理想情况下两个信号边沿对齐，但是翻转方向相反，如下图所示：

两个信号沿着各自的传输线传输，到达接收器时，接收器对两个信号进行差分检测，从两个信号的差值中提取信息，这个差值信号称为差分信号。
对于其中任意一个信号，和普通的单端信号没有什么区别，在传输线上传输时也遵循单端信号传输的各种规律。

差分驱动器的两个信号极性相反，即正极性输出信号为Vp, 负极性输出信号称为Vn，则差分信号可表示为

Vdiff=Vp-Vn

差分传输正是利用Vdiff来传输信息，接收端检测Vdiff的电压波形来提取信息。接收端除了能检测到携带信息的差分信号外，还能感受到另外一种信号，称为共模信号。共模信号可表示为

Vcomm=1/2(Vp+Vn)

**共模信号也传输到接收端，但共模信号不包含所传输的信息，只有当接收器保证共模信号在一定的变化范围内时才能正常接收差分信号的信息，而不受共模信号的影响。这种能量称为共模抑制能力。**通常差分接收器都有很强的共模抑制能力。

我们以LVDS（Low Voltage Differential Signal）信号为例来说明差分传输的特点。
LVDS是常用的差分传输方式，理想情况下，差分驱动器两个输出信号都围绕1.25V的电平翻转，摆幅需要满足以下条件：

如果信号的中值电平值为1.25V，摆幅为600mV，则单个信号的低电平为 1.25V-600mV/2=0.95V，高电平为1.25V+600mV/2=1.55V，信号波形如下图所示。
理想情况下两信号时间边沿上严格同步，共模信号为恒定的电压。
差分信号为高电平 Vdiff=600mV
差分信号为低电平 Vdiff=-600mV

LVDS差分接收器的每个引脚的输入电压必须在0~2.4V之间。
所以如果差分输出的摆幅为600mV，接收端共模电压在0.3~2.1V范围内都能正常接收信号（0.3V-600mV/2=0V; 2.1V+600mV/2=2.4V）。
这种特性由差分检测方式决定的，差分接收器只关心Vp 和Vn之间的差值。即使发送端和接收端共模电压相差很大，也只是引起Vp和Vn信号电平的整体漂移，但并不应先二者之间的相对关系。

共模电平的偏移很多时候都是由于发送端和接收端参考点（GND）电位不同引起的。
差分互连对这种参考点电位差异有很强的适应能力，而对于单端互连来说，发送端和接收端参考点电位电位偏移较大时可能造成接收端无法正确判断高低电平。

差分传输是使用两个单端信号的组合来传输信息。任何两个单端信号的组合都可以表示成差分信号和共模信号的形式，即对任何两个单端信号，下面的等式都成立：

常见的差分互连中，两条传输线一般都使用耦合传输线的形式，但从差分信号的传输原理来讲，这种方式并不是必须的。
无论两条传输线怎么走线，甚至可以使用两条完全不相同的走线，比如没有耦合、在不同层的走线布线，只要两个单端信号到达接收端时还能保持差分传输所要求的相对关系（翻转方向，边沿对齐，延时，差分电压）就可以通过差分检测提取信息。
因此，差分传输中两条传输线耦合与否，理论上不影响信号传输，平行走线可以获得一些好处，但不是必须的。

差分对的返回电流

单端线的返回电流集中在参考平面，差分对的返回电流是怎么分布的？
下图显示了PCB表层差分对电流的分布情况，图中画出了信号电流和所有的返回电流，参考平面中有大量的返回电流分布，而且分别集中在每一条线的正下方。因此，差分对中一条走线的返回电流并不都从另一条走线返回。

从耦合的角度来分析返回电流可能的路径，如下图所示，走线和参考平面之间存在耦合电容为Cg，和另一条走线之间存在耦合电容Cm，这两个电容都可以看成信号的负载电容。
当传输线上电压变化时(两条线有差分电压)，由于这两个电容的充电作用，电流分两路分别流过Cg和Cm，因此会在参考平面和另一条走线上都形成返回电流，由于Cm的值远小于Cg，因此，可以预计流过参考平面的电流远大于流过另一条走线的电流。
另一方面，走线和参考平面会有回路电感L0，和另一条走线之间存在互感Lm。因此走线上电流变化时，由于感性耦合的作用，在参考平面和另一条走线上都会存在返回电流。同样，典型情况下Lm值远小于L0，因此从电感角度来说流过参考平面的电流也会大于流过另一条线的电流。
从耦合的角度分析，参考平面上以及另一条走线上都会有返回电流，并且参考平面上的返回电流远大于另一条走线上的返回电流。

对于差分对，一条走线的返回电流路径主要还是集中在参考平面，而不是另一条走线。
典型情况下参考平面中的返回电流占总电流的90%左右，另一条走线上的返回电流约占10%，如下图所示。
参考平面对于差分对同样非常重要，差分对参考平面的不连续也会影响信号的传输。
实际工程中，使用差分方式传输的信号往往都是非常重要的信号，因为差分对更应注意参考平面的连续性问题。

差分信号抗噪声原理

差分信号除了能很好地解决发送和接收参考点电位不同的问题外，差分信号的另一个重要优势就是在一定条件下其抗干扰能力比单端信号更强。
对于单端信号传输，外界对它的干扰噪声直接叠加在信号上，接收端直接检测输入的电压或电流，接收器无法区分哪些是有用信号，哪些是噪声，因此，干扰很大时会严重影响信号的接收。
在差分传输方式中，每一条传输线的都是单端信号，外界施加的干扰也会叠加在单端信号上，但是如果两条传输线上叠加的噪声近似一致，接收端差分检测后，绝大部分会抵消掉，因此大大提高了抗干扰能力。

如上图，驱动器输出信号的电压是以本地参考电位为基准的，如果由于其他信号的干扰引起驱动端参考电位变化，相当于在两个单端信号上都叠加了一个噪声，此时两个单端信号变为：

接收端在差分检测时得到的差分信号为：

结果就像没有受到任何干扰一样，差分检测消除了这个参考点电位变化导致的噪声干扰。

同理，接收端参考点电位如果同样存在噪声，结果也只是导致接收端两个单端信号电平的整体同步上下波动，而且规律一致，差分检测同样能消除这种噪声。

如果有邻近信号同时对差分对的两个单端信号产生串扰，两个串扰噪声变化规律基本一致，区别在于幅度大小稍有不同，差分检测时部分抵消掉。两条线上的噪声幅度越接近噪声抵消的越多。

差分传输抗干扰原理在于差分检测时两个单端信号噪声互相抵消。
只要外界对差分对中两个单端信号的干扰基本一致，就不会影响差分信号的传输。
因此，差分互连不一定非要使用平行走线形式，关键是要控制两条传输线周围环境基本一致，并尽量减小其他信号的干扰。

差分互连中的阻抗参数

理想情况下，差分传输时两个单端信号边沿对齐翻转方向相反。
两个信号都可以用差分分量和共模分量的形式表示为

相当于一个共模分量Vcomm与一个差分分量Vdiff的叠加。
如果只考虑信号中的差分分量：

每一条线上信号的差分分量感觉到的阻抗都是奇模阻抗Zodd。假设由差分分量引起的电流为Idiff，则奇模阻抗可表示为：

因此可定义差分阻抗为

两个差分分量符号相反，因此对应的电流也相反，对于差分信号来说好像构成了一个虚拟的回路。如下图。

从接收端来看，电压为差分分量的两倍，电流却和单个支路的相等，因此阻抗为单个支路的两倍。对于差分信号来说两个支路似乎串联在了一起。

对于共模信号，两个支路共模分量相同，每一条线上信号的共模分量感觉到的阻抗都是偶模阻抗，为

从接收端看，共模信号的电压和每一条支路上的共模分量都相同，却有两个同方向的电流流入参考点，如下图：

因此共模阻抗为

奇模阻抗和偶模阻抗都是两条线处于奇模和偶模工作状态下单根传输线的阻抗，
差分阻抗和共模阻抗都是差分信号和共模信号感受到的阻抗。

差分互连的反射与端接

差分对中两个单端信号传输到传输线末端时，如果没有端接信号将发生反射。
接收端的单端信号波形可能会发生振铃，由于两个单端信号跳变方向相反，振铃方向也相反。如下图显示差分对中两个单端信号的振铃。

在接收器作差分检测时，反射产生的振铃不能相互抵消，反而互相加强，差分信号波形也将出现振铃。如下图所示，
从差分信号的角度来看，相当于差分信号传输到末端时没有端接而导致了振铃。

使用两个单端信号来表示互连和使用差分信号及共模信号表示互连，信号反射规律都是一样的，反射系数表示为

对于差分信号来说，Z0表示差分阻抗Zdiff，ZL表示差分信号感受到的负载阻抗。
对于共模信号来说Z0表示共模阻抗Zcomm，ZL表示共模信号感受到的负载阻抗。

由于种种原因，共模分量不可能是理想的恒定电平，因此共模分量也需要作为一个独立的信号来处理，共模信号感受到的阻抗不连续也会发生反射。查收传输中共模噪声可能会影响到差分信号的接收。

差分对的端接主要有以下4种方式，如下图所示。

上图 a)实质上是对两个单端信号单独在末端并联端接到GND。
由于每一条传输线上差分信号分量传输的时候感觉到的是奇模阻抗Zodd，因此如果两个端接电阻都等于Zodd，差分信号到达端接位置时感觉到的阻抗为2Zodd，刚好等于差分阻抗Zdiff，差分信号不会发生反射。
下图显示了两条传输线上的信号流动情况，对于差分信号，其中一条传输线电流从驱动器流出，经端接电阻流入GND，另一条传输线电流流动方向刚好相反，由GND流回驱动器。如果差分对完全对称，在参考点处两个方向电流刚好抵消，因此即使不接GND，参考点电位Vref也始终等于0。 因此a 和 b 两种端接方式是等效的，b方式很常用。

上述a和b两种端接方式等效是对于差分信号来说的，对于共模信号来说两种方式却有很大区别。
对于共模信号，两条传输线工作在偶模状态下，两条传输线上的信号电压相等，a方式中共模信号传输到端接处时，感受到阻抗是两个端接电阻的并联，即1/2Zodd。 由于传输线共模阻抗等于1/2 Zeven，两个阻抗不匹配，因此共模信号会发生反射，但通常情况下1/2Zodd和1/2Zeven 两个阻抗差别很小,尽管对共模信号来说不是理想端接阻抗，但比较接近反射很小。
对于b端接方式，共模信号到达时，由于两条传输线信号电压相等，共模信号感觉不到跨接电阻的存在，相当于末端开路，因此共模信号完全没有端接。
下图a 显示了差分对不对称情况下，图8-13a端接方式与差分线无端接两种情况下接收端共模信号情况，可以看到尽管这种端接方式对共模信号来说阻抗不是完全匹配，但反射较小。
下图b显示了图8-13b跨接2Zodd和差分对无端接两种情况下共模信号情况，可以看出跨接一个电阻对共模信号跟完全没端接无差别。

理想的端接方式应该对差分信号和共模信号同时端接，可行的端接方案有T型端接和 $\pi$ 型端接（如上图8-13c、d)，
T型端接中电阻R1和R2分别为

差分信号感受到的阻抗为两个R1的串联，刚好等于差分阻抗.
共模信号感受到的阻抗为两个R1并联后再和R2串联，阻值为1/2 *Zeven，刚好等于共模阻抗。
因此，无论差分信号还是共模信号都不会感受到阻抗突变。

$\pi$ 型端接中电阻R1和R2分别为

差分信号感受到的阻抗为R1//2R2 =2Zodd( 两个R2串联后再与R1并联)，
共模信号感受到的阻抗为1/2R2=1/2Zeven(共模感受不到R1跨接电阻，感受到两个R2并联),
因此，这种结构也是同时端接了差分信号和共模信号。

差分互连的串扰

如下图，单端线（标记为s）位于差分对的走线一侧，单端线距离走线P较近，距离走线n较远。
串扰量和走线间距密切相关，间距越大串扰越小。因此，单端信号在p和n两条走线上产生的串扰也不相同，接收端在做差分检测时两个串扰噪声不能抵消。所以差分信号中一定有串扰噪声。

下图显示了走线p和n上的串扰噪声以及差分检测后得到的差分串扰噪声，明显可见两条走线上串扰噪声的差异是导致差分串扰噪声的直接原因。

实际上单端信号对差分对的串扰包含了很多串扰过程，最显著的有三个串扰过程：
1）单端线 s 对走线 p 的串扰
2）单端线 s 对走线 n 的串扰
3) 走线 p 对走线 n 的串扰
其中前两个串扰特征相同，攻击信号上升沿将产生负的串扰脉冲。
但走线p对走线n的串扰过程复杂一点，由于走线p中的远端串扰噪声为负脉冲，包含了下降沿和上升沿两个过程，根据串扰特性，负脉冲下降沿在走线n上串扰出一个正的脉冲，负脉冲上升沿在走线n上串扰出一个负的脉冲。
和单端线s对走线n的串扰叠加后，总的噪声表现为一个正脉冲和一个负脉冲的组合，这过程如下图所示：

由于差分对和攻击信号组成的多导体系统内复杂的耦合关系，互相之间都存在串扰，使得在某些情况下差分对抗干扰能力并没有想象中那样强
如下图情况，受害线使用单端传输和差分传输两种情况，从受害线接收端串扰噪声看出，使用差分对时串扰噪声确实比使用单端传输小一些，但改善并不明显。
在单端攻击线与差分对间距较小情况下，差分信号中的串扰噪声依然较大。
因此，即使使用差分传输，最有效的减小串扰的方法依然是尽量拉开和攻击信号的间距。

差分与共模的相互转化

理想情况下，如果在差分对接收端，两个单端信号完全对称，即幅度相同、翻转方向相反、边沿对齐，那么共模信号将是恒定的电平，如下图所示。
Vcomm= (Vp+Vn)/2= 1.0V/2=0.5V
交叉点处电平也在0.5V，所以共模信号是恒定的电平。

但实际中两个单端信号不可能完全对称，比如其中一个信号延迟稍大，这样就会造成接收端信号的边沿错位，共模信号不再是一个恒定电平，如下图所示。
Vcomm= (Vp+Vn)/2= 1.0V/2=0.5V
但由于错位，在交叉点处Vcomm= (Vp+Vn)/2= (0.8V+0.8V)/2=0.8V，比正常情况下0.5V要高，不再是恒定电平。

相当于有一部分本来存在于差分信号中的能量转化成了共模信号，共模信号幅度大小和错位时间以及信号上升时间都有关。错位时间占上升时间的比例越大，交叉点电平越高，共模信号幅度越大。

共模信号为两个单端信号的平均值，和普通信号一样在差分对中向接收端传输。
实际上差分互连中共模信号的波形更像是杂乱无章的噪声。在没有共模端接的差分互连中，由于反射共模信号幅度还可能进一步增加。过大的共模信号会导致EMI问题。

导致差分信号向共模信号转换的不利因素有很多：

• 驱动器的两信号在时间上会有错位
• 连接器的引脚延时不可能完全相同，差分信号经过连接器后两个单端信号会产生错位
• 过孔换层时，两个过孔也会有延时差别，部分原因是加工误差，另一个原因是两过孔感受到的介电常数也会存在差异。
• 差分对传输线感受到的容性负载不同也会引起转换，比如一条线旁边有过孔而另一条线旁边没有，过孔的焊盘孔壁等和传输线会有耦合，导致一条线感受到局部容性负载增大，这种局部不对称也会引起差分和共模的转换。
• 差分对的两条线下面可能存在树脂含量的差别，导致两条线感受到的介电常数不同，延时也会有差别

共模信号同样也会传遍成差模信号，往往表现为噪声性质。
共模信号向差分信号转化通常是由于差分对中两个单端信号叠加了不同水平的噪声，或者噪声之间没有相关性，差分检测时这些噪声不能抵消，最终就会反映在差分信号中。

共模噪声向差分信号转化通常时我们极力避免的
最简单的办法就是尽量减小差分传输通道的不对称性，尽量做好阻抗优化，并对共模信号进行端接。
如果没有共模端接，则共模信号在通道中反复反射，共模信号就会不断转换为差分噪声，最终导致误码率增大。

差分对的等长等距

差分对中两个单端信号的延时差会导致接收端信号错位，引起差分信号的畸变，同时会产生共模噪声导致接收端差分信号抖动增加。因此，差分对设计的一个基本要求就是要尽量保持差分对两条单端线延时相等
下图显示了差分对中两条单端线不同延时差情况下差分信号和共模信号的变化情况，
a图为差分信号边沿变化，从左到右依次为：延时差等于0、延时差等于20%Tr、延时差等于50%Tr、延时差等于1倍Tr、延时差等于2倍Tr。
b图为对应的共模信号情况。
两条传输线延时差越大，差分信号畸变越严重，同时共模噪声越大

对于高速差分互连通常使用眼图来评估信号的传输，从眼睛睁开的大小（高度及宽度）能看出接收信号的误码率相对大小，眼睛睁开的越大，接收的出错率越小。
下图显示了精准端接共模信号的情况下（除去共模信号的影响）接收端信号的眼图，当两条传输线延时差较大时，眼图质量下降，由于差分信号的边沿畸变（延时差导致差分信号边沿畸变，跟对共模信号影响不一样），眼睛宽度变小，怎加了接收出错的可能性。

实际使用中，很难对共模信号精确端接。
在考虑共模信号反射情况下，接收端眼图质量还要进一步恶化。
下图显示了无共模端接情况下，随着延时差变大，接收端眼图的变化情况。共模噪声的反复反射振荡会使眼图的高度和宽度都明显恶化，抖动和噪声同时增大，因此控制两天传输线的延时差对差分互连至关重要

调整差分对中的两条单端线的延时通常包含两个方面的措施：
1）差分对的对内等长约束
2）连接器两个引脚的延时补偿

通常希望延时差越小越好，但同时也要考虑到布线的困难，因此最终的等长约束是设计难度和性能平衡后的结果。
如果互连通道很短，信号的衰减很小，噪声和抖动的余量都比较大，那么对等长要求可以适当放松。
如果互连通道很长，信号的衰减很大，噪声余量较小，那么等长约束就要严格一些。
在设计中，差分对两条传输线长度差控制在10~20mil之间并不太困难，如果使用FR4板材，这个长度对应的延时差约为2.5ps，对信号影响很小。

差分线通常都是平行走线，由于两条单端线之间的耦合，间距的变化会影响差分阻抗和共模阻抗，进而导致差分信号和共模信号的反射，因此差分线还需要尽量保持间距相等，这是差分线设计的另一个基本要求。
当调整其中一条传输线长度时，需要绕线，绕线区域差分线的间距变大，差分阻抗变大，差分阻抗和线间距（gap）的关系如下图所示。
差分阻抗的变化并不是随gap值增大而单调增大，当达到一定间距以后，差分阻抗几乎不再变化。

间距的变化改变了差分阻抗，因而差分信号到达绕线区域发生反射，由于信号感受到的差分阻抗并没有想象中的大，因此差分信号的反射并非想象中那么严重，如下图显示了本例中差分信号的阻抗变化，从100跳变到接近110，引起的最大反射量约为5%，**信号感受到的阻抗变化有多大，和信号的上升时间密切相关，信号上升时间越小，感受到的阻抗变化越大，但不会超过无耦合时的极限值，**对于本例中无论信号上升沿小到什么程度，阻抗变化都不会超过18%。
绕线引起的线间距变化对差分信号的影响没有想象中那么严重。

随着线间距的变化，差分阻抗变化的同时，共模阻抗也会发生变化，绕线区域对于共模信号来说也是一个阻抗不连续的点，共模信号也会发生反射。
正常情况下驱动器本身不会输出很大的共模噪声，如果差分互连通道各个部分阻抗做适当处理的话，由于绕线前延时差不大，共模信号的幅度也不大，共模信号的反射不会产生太大的问题。
下图显示了线间距变化对眼图的影响，可见间距的变化尽管对眼图有影响，但没有想象中那么严重。

等长和等距时差分布线最基本要求，在实际工程中这两个要求时互相矛盾的。为例调整线长，通常要对其中一条线进行绕线处理，绕线区间必然发生线间距的变化。
正常情况下，设计时应优先保证等长要求。
正常情况下差分线的布线多采用平行走线，为了控制间距变化的影响，如非必要就不要改变间距，如果绕线处不得不改变间距，那么尽量在小范围内改变间距。
如果需要很长一段区间必须广告便间距（多数都是过孔区域或BGA的下面），最好在改区域使用另外一种线宽和线距配置，以保证差分阻抗和共模阻抗不会发生大幅度的变化。

松耦合还是紧耦合

从原理上来说，差分信号的传输与两条传输线是否存在耦合无关，即使是两条完全独立的传输线也可以传输差分信号。
尽管如此，实际工程中一般还是使用有耦合的平行走线来传输差分信号，一个主要的原因就是这种布线方式能最大程度的保持两条传输线的工作环境一致，使外界对两传输线的影响尽可能一致，充分发挥差分传输的抗噪声性能
两条线之间间距越大，耦合越松；间距越小，耦合越紧。

考虑单端信号对差分对的串扰，其表层结构如下图

由于单端信号距离差分对的两条传输线距离不同，因而对两条传输线的串扰也不同，在差分对中两条传输线上的串扰噪声不能完全抵消，因而存在差分串扰噪声。另一方面，由于不对称，串扰也必然反映到共模信号中，引起共模噪声的增加。
下图显示了松、紧耦合两种情况下串扰引起的差分噪声的大小。

下图显示了串扰引起的共模噪声的大小。

可以看出，紧耦合差分噪声更小，但紧耦合的共模噪声却更大。因此紧耦合抗差分噪声的能力强于松耦合，但抗共模噪声的能力弱于松耦合。
尽管紧耦合抑制差分噪声能力比松耦合更强，但是由于会产生更大共模噪声，以及抗共模干扰能力比松耦合更弱，综合性能反而不如松耦合。共模噪声在传输线中反复反射振荡使接收信号抖动增加，眼图恶化。
下图显示了差分对不对称（对内延时不同）情况下松紧耦合接收端眼图情况

松紧耦合对信号的衰减也有一定影响。
对于确定层叠厚度，松耦合由于间距增大，线宽必须变得更宽才能满足阻抗要求，趋肤效应引起的信号损耗就会相应减小，这种损耗的改善在长距离差分互连、信号速率较高情况中非常重要。


工程设计中，使用松耦合还是紧耦合还要考虑成本因素
对于通道长度很短或者信号速率不高的差分互连，由于噪声余量较大，可以使用紧耦合以获得更大的布线密度。
但对于走线很长或者信号速率很高的差分互连最好使用松耦合以获得更大的噪声余量。

小结

• 任意两条线都可以传输差分信号，并非一定要有耦合，但适度耦合可带来一定好处
• 差分对的返回电流位于参考平面内，参考平面对差分线非常重要
• 差分信号和共模信号会互相转换
• 共模噪声对差分传输有影响，影响大小和差分对的对称性以及是否有共模端接有关
• 对称、等长、等距是差分设计的基本要求
• 使用松耦合还是紧耦合要看情况而定，松耦合可以带来性能上的提高。