用于加速 PCB印刷电路板布线的高效差分对布线指南

关键要点

• 印刷电路板上差分对的基础知识。

• 差分对布线指南可帮助您布线更好的设计。

• 您的 PCB 设计工具如何提供帮助。

众所周知，两个可以比一个更好，因为结合资源通常会带来更好的结果。有一句古老的谚语肯定了这些好处：“如果两者中的任何一个跌倒，另一个可以帮助他们备份”。即使是扑克也通过通常需要一对或更好的牌来打开手牌来识别两个人的力量。在电子产品中，我们还看到使用差分对路由而不是单个迹线的这种二分法。

但是，路由差异对可能很困难，因为它们具有必须遵循的特定规则才能确保信号的性能。这些规则规定了诸如差异对的走线宽度和间距等细节，以及许多其他方面，例如走线如何在电路板上一起布线。如果使用大量差分对，即使设计人员必须为每个信号布线两条单独的走线这一事实也会对电路板其余部分的布线方式产生重大影响。让我们仔细看看差分对布线以及在差分对布线指南摘要中需要注意的一些潜在问题。

PCB设计中差分对的基础知识

在我们开始研究差分对布线的潜在困难和解决方案之前，让我们花点时间回顾一下基础知识。如果您参与 PCB 布局，那么您已经熟悉单端信号，即使您以前没有听说过这个确切的术语。单端信令是在迹线上传输信号，然后将公共参考用于信号的返回路径。当我们在板上布线一堆走线时，地平面为信号返回提供路径，即单端信令。这就是大多数 PCB 网络的布线方式。 

但是，这种类型的路由存在一个问题：随着传输线速度的提高，单端信号可能会受到一些问题的影响，包括串扰噪声和电磁干扰 (EMI)。这就是差分信号可以提供帮助的地方。

差分信号使用两个互补信号来传输一个数据信号，但第二个信号与第一个信号相反。信号接收器使用反相和非反相信号之间的差异来破译信息。使用差分对路由来传输信号有一些重要的好处，首先是降低噪声和 EMI：

• 传入干扰将平等地添加到反相和非反相信号中。由于无论是否受到影响，接收器都会响应两个信号之间的差异，因此影响最小化。与影响单端信号的干扰相比，这提供了更好的性能。

• 由于差分对的电磁场大小相等但极性相反，因此来自两条迹线的输出干扰通常应相互抵消。

与单端信号相比，Diff 对还具有另一个优势，即它们可以在较低电压下工作。单条迹线必须在更高的电压下运行，以确保其信噪比 (SNR) 足以抵抗任何传入噪声。由于差分对更不受噪声影响，因此它需要的电压更低，这提供了一些额外的好处：

• 较低的电压要求意味着将消耗更少的功率。

• 信号的电压转换会更小，有助于电路板的电源完整性。

• 较高的工作频率可用于较低的信号电压。

• 电压越低，辐射的 EMI 就越少。

如您所见，在电路板上使用差分信号有许多好处，但也需要考虑一些成本。

印刷电路板上的差分对布线

PCB布局中与Diff Pairs相关的问题

正如我们刚刚看到的，使用差分对路由有很多好处，但也有一些缺点。第一个也是最明显的问题是您必须为每个信号布线两条迹线。这不仅使电路板上的布线数量增加了一倍，而且随着差异对的附加规则到位，它可以占用更多空间。让我们看看设计师必须应对的一些差异对困难。

对中两条迹线的长度必须相等

差分对的一大优点是通过使信号由两个不同极性的相等信号表示来抵消噪声和 EMI。但如果线路长度不相等，这种平衡可能会被破坏，进而可能产生共模噪声和严重的 EMI 问题。信号的上升和下降时间越长，如果线路长度不等，问题就会越严重。

差分对走线的宽度和间距必须始终保持一致

走线越接近，这对将彼此更好地耦合。然而，当走线间距发生变化时，差分阻抗也会发生变化，从而导致失配以及额外的噪声和 EMI 可能性。为防止这种情况，必须以相同的宽度将这些线对布线在一起，这在绕过电路板上的障碍物（例如过孔或较小的组件）时可能会出现问题。

为了从差异对路由中获得最佳性能，需要遵循一些基本规则，我们将在接下来讨论。

这是一个示例，说明如何不围绕障碍物路由差异对

差分对路由指南

为了在您的电路板上获得最佳信号性能和完整性，以下是 PCB 设计人员应注意的一些差分对布线指南：

1. 将差异对一起路由

对于布局团队，需要将这对走线的两条迹线明确标识为差分对，以便它们在整个信号长度上一起布线。

• 尽可能避免使用过孔。如果你确实使用它们，它们应该成对放置。尝试使它们尽可能靠近，并将过孔与它们布线的焊盘平均放置。

• 最好采用内层布线以最大限度地减少串扰，但这意味着通过通孔在各层之间进行过渡。

• 保持差异对与其他走线隔离。这通常通过指定三倍于正常走线宽度间距的间隙来完成。

• 如果可能，请考虑在相邻信号层上进行宽边差分对布线。这将允许更高的布线密度和更好的串扰控制。

1. 保持两条走线之间的路由对称

成功的差异对应该导致线条彼此紧密镜像。为此，请在路由时考虑以下想法：

• 规划您的布线以避免过孔或无源部件等障碍物，以保持线对的对称性（如上图所示）。

• 规划您的焊盘入口和出口布线，使走线尽可能地相互镜像。

• 在整个走线长度上使用相同的走线宽度。

• 保持对之间的间距一致。

1. 保持线对的走线长度相同

如前所述，线对中两条线的长度必须相同。为了实现这一点，您可能必须将一小段跟踪调谐放入较短的线路中以使其均衡。虽然这会稍微改变线条的对称性，但长度更重要。如果长度不等是由于非对称焊盘位置造成的，请尝试在线路的该区域添加跟踪调整。

尽管在布线差异对时要记住很多事情，但您的 PCB 设计 CAD 工具通常有很多功能可以帮助您配置差异对布线的布局。 

 约束管理器中的差分对布线规则

使用您的 PCB 设计 CAD 工具进行差分对布线

有一次，PCB 布局设计人员必须手动布线差分对。这需要付出很多努力来确保线路保持对称，并且在布线后更改线路是一场噩梦。值得庆幸的是，KFPCBA的 Allegro PCB Editor 等工具具有自动差分对布线工具，可在布线时保持对的正确宽度和间距。此外，还可以添加一些规则和约束来管理差分对的所有方面。

在上图中，您可以看到KFPCBA 的 PCB 布局工具中使用的约束管理器来管理不同的设计规则，包括差异对。这些规则包括走线的宽度及其间距、允许走线弯曲多长时间以及布线的拓扑结构，包括焊盘如何进入和退出。通过使用此类工具，您可以为您的差分对输入所有相关规则，以确保它们符合您的电路需求。

有关差分对布线指南和高速 PCB 设计的更多信息，以及您想了解更多有关如何为您提供解决方案的信息，请与我们和我们的专家团队联系。