為什么要走差分線？哪些地方需要用到差分走線？

1、差分線的定義

差分信號就是兩個幅度相等、方向相反的信號，而而負責承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。

2、為什么要走差分線？

A、因為在相同的電路中，由于單端走線參考的是地平面，收到外界的干擾和地平面上受到的同一干擾的表現差異很大，導致單端走線的干擾和回流路徑中的干擾無法相互抵消，而差分走線由于信號大小相等、方向相反，所以兩根差分走線之間的耦合就很好，阻抗變換也更匹配，外界的噪聲信號基本上都會同時被耦合到兩條線上，而接收端只關注兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全消除，提高信號傳輸質量。

B、差分走線能有效抑制EMI，因為兩根差分信號極性相反，所以他們對外界的輻射電磁場可以相互抵消，保證兩根線僅僅耦合，耦合的越緊密，互相抵消的磁感應線就越多，泄放到外界的輻射信號就越少，提高系統傳輸的穩定性。

C、時序的準確性需要，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。

3、等長的定義

等長，顧名思義，就是指兩根差分線的長度要盡量一樣長，業界一般保證10mil誤差以內，嚴格點的就按5mil以內作為差分線等長要求。等長是為了保證兩隊差分信號每時每刻都要保持傳輸方向相反，如果差分線線長不匹配，就會造成時序上的偏移，相位誤差大，速度越高，影響越大，還會引起共模干擾，降低信號傳輸的質量，增加了EMI。

4、哪些地方需要用到差分走線？

因為差分線有更高的抗干擾能力，能提升信號的傳輸速率，但是差分線也有缺點，就是它需要比單端走線多一條額外的線作為信號的回流路線。所以，只有在追求更高要求的傳輸速率或者更強的抗干擾能力的設計中才會以犧牲走線面積來增加走線的數量來保證信號傳輸的高速率、可靠性和更強的抗干擾能力。

1) 、長距離傳輸，網線，485，CAN等需要使用差分走線。如：485、CAN線，為了追求更遠的傳輸距離，通常在差分走線的情況下還會提高的傳輸電平（RS485:-7V至+12V之間 CAN 5V），但相應的也會降低傳輸速率（RS485：平均速度會小于10Mbps ；CAN：平均速度會小于1Mbps）。如下圖網線就是采用每一對差分線都擰在一起的走線方式。

2) 、在高速傳輸環境下需要走差分線，如 USB3.0、MIPI、LVDS、HDMI等走線。差分線在高速傳輸時，電壓幅度很低，MIPI線在高速模式下（1Gbps以上）的電壓僅有200mV。在低速模式下也只有1.2V。

大家都知道，單端信號必須保持相對較高的電壓，以確保足夠的信噪比（SNR）。常見的單端接口電壓為3.3 V和5 V。差分信號由于具有更高的抗噪聲能力，因此可以使用更低的電壓并保持足夠的SNR。因此，在相同的電平下，差分走線的上升沿時間是單端走線的1/2，所以不難理解差分線的傳輸速率比單端走線高，同時差分線由于有更低的電源電壓，所以也會降低輻射EMI和降低功耗，提升了工作頻率效率。

5、差分、等長走線設計要點

1) 、在布局原件時，要優先布局差分走線，盡量時差分線路徑最短，以縮短差分線的走線距離。

2) 、一對差分走線最多允許不超過兩對過孔，而且需要對稱放置，當差分信號需要換層時，必須保持相同的參考平面，并在過孔信號周圍增加地孔。增加過孔會產生寄生電感，引起反射，影響信號傳輸的完整性。

3) 、對稱平行走線，因為這樣才能保證兩根線緊緊耦合，避免90°走線，弧形或者45°的走線方式都是被允許的。

4) 、差分走線串聯電阻、電容的擺放。

5) 、不能存在Stub線。Stub線就是俗稱為線頭或歪線（在 Router中經常出現）, 或者說信號沒打算經過的路徑，對于High speed signal是完全禁止的。因為通過大量的仿真和布線經驗，Stub對高速信號線的影響還是很嚴重的。

6) 、差分走線線長一旦不匹配，時序就會發生錯亂，同時也會引起工模干擾，增加EMI。所以差分走線必須保持相同的長度、相同的寬度和相同的層數，并盡可能保持對稱，對于差分線長不匹配的地方要做補償，使其線長匹配，長度差最好控制在5mil，遵循哪里長度差就補償哪里的原則。

6、差分線與等長線的關系

差分線一定要求要做等長，但等長走線不一定要求都是差分線，等長是為了使不同的信號不延時，數據能夠同時到達，像大家所熟知的MIPI和USB3.0走線就是需要走等長+差分線，而DDR和EMMC線就只有等長沒有差分。因為只有等長，DDR、EMMC等并行高速才能同時到達接收端，才能實現真正意思上的并行傳輸。

編輯：黃飛

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