一、差分信号概述

（一）差分信号的定义

差分信号是指两个幅度相等、相位相反的信号。在电路中，差分信号通常由一对信号线传输，这两条信号线分别携带互补的信号。差分信号的核心优势在于其抗干扰能力强、能有效抑制共模噪声，并且能够提供更高的信号完整性和传输速率。

（二）差分信号的特点

1. 抗干扰能力强：由于差分信号是成对传输的，外部干扰对两条信号线的影响基本相同，因此在接收端可以通过差分放大器消除共模干扰，保留差模信号。

2. 信号完整性高：差分信号能够提供更高的信号完整性，减少信号反射、衰减和失真，适用于高速数据传输。

3. 电磁辐射低：差分信号的电流方向相反，产生的电磁场相互抵消，从而降低了电磁辐射。

二、差分信号的应用场景

（一）高速数据传输

差分信号广泛应用于高速数据传输接口，如USB、HDMI、LVDS（低压差分信号）等。这些接口需要在高速率下传输大量数据，差分信号能够提供稳定的信号传输质量。

（二）精密测量与控制

在精密测量和控制系统中，差分信号能够有效抑制噪声和干扰，提高测量精度和控制稳定性。例如，在传感器信号采集和工业自动化控制中，差分信号被广泛应用。

（三）射频与微波电路

在射频与微波电路中，差分信号能够提供更高的信号完整性和更低的电磁辐射，适用于高频信号的处理和传输。

三、如何在PCB上实现差分走线

（一）差分走线的基本原则

1. 等长匹配：差分信号的两条信号线长度应尽可能相等，以确保信号传输的同步性。长度差异会导致信号失真和时序问题。

2. 等宽匹配：差分信号的两条信号线宽度应保持一致，以确保信号传输的均衡性。宽度差异会影响信号的阻抗匹配和传输特性。

3. 紧密耦合：差分信号的两条信号线应尽可能靠近，以增强耦合效应，提高抗干扰能力。通常，差分对的间距应小于或等于线宽的两倍。

4. 避免交叉与分支：差分信号应尽量避免交叉和分支，以减少信号反射和干扰。如果必须交叉，应采用45度角交叉或使用过孔进行换层。

（二）差分走线的设计步骤

1. 确定差分对：在设计PCB时，首先需要确定哪些信号需要采用差分传输，并标记出差分对。

2. 设置走线规则：在PCB设计软件中设置差分走线的规则，包括线宽、间距、长度匹配等参数。大多数PCB设计软件都支持差分对的定义和管理。

3. 布线：按照设定的规则进行差分走线。确保两条信号线平行、等长、等宽，并尽量靠近。在布线过程中，可以使用软件的自动布线功能，但需手动调整以确保满足设计要求。

4. 长度匹配：使用软件的长度匹配功能，确保差分信号的两条信号线长度相等。如果存在长度差异，可以通过增加蛇形走线（meander）进行调整。

5. 验证与优化：完成布线后，使用软件的仿真功能对差分信号进行验证，检查是否存在信号反射、串扰等问题。根据仿真结果进行优化调整。

（三）差分走线的注意事项

1. 介质材料选择：选择合适的介质材料对差分信号的传输质量至关重要。高频应用中，建议使用低介电常数（Dk）和低介质损耗（Df）的材料，如Rogers RO4350B、Taconic TLX等。

2. 层叠结构设计：合理的层叠结构设计有助于控制差分信号的阻抗和减少干扰。常见的层叠结构包括四层板和六层板，信号层与地平面之间应有良好的耦合。

3. 过孔设计：差分信号在换层时需要使用过孔。过孔的设计应尽量减少对信号的影响，建议使用盲埋孔或微过孔，并确保过孔的阻抗匹配。

4. 接地设计：良好的接地设计对差分信号的传输至关重要。建议在差分信号的两侧设置接地平面，并通过多个接地过孔连接，以提供良好的屏蔽和回流路径。

5. 避免串扰：差分信号应尽量避免与其他高速信号平行布线，以减少串扰。如果必须平行布线，应增加间距或使用屏蔽层隔离。