差分信号之剖析与探讨

Introduction驱动端发送两个大小相等，方向相反的信号，接收端会有一个相减器，比较这两信号的差值，来判断逻辑位是0或是1，此即所谓的差分讯号[1]。而下图是实际PCB的差分走线[1]。1Advantage使用差分讯号的第一个好处，就是具错误更正效果[2]。由上图知道，如果在单端讯号中有噪声，则会直接进入接收器，严重一点可能会造成逻辑误判。在那些对于时序有很精密要求的系统中，会有很重大的影响。然而前述已知，接收端会有一个相减器，因此对差分讯号而言，即便有噪声，其噪声会透过相减器相消。2由于差分信号的逻辑判断，是仰赖两个信号的交点，如下图[4]:不像单端信号依靠高低两个电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（lowvoltagedifferentialsignaling）就是采用差分讯号型式[5-6]，下图是LVDSConnector的图片[7]:3第二个好处，可以有较小的EMI辐射干扰，由于数字信号在逻辑切换时，会因电压变换产生电场，进而产生EMI辐射，对邻近走线造成干扰[9,15]，如下图[12-14]:由于高速数字讯号逻辑切换速度越来越快，而逻辑切换速度越快，则耗电流就越大，同时频率也越高，由[9]可知，EMI辐射强度与电流大小，以及频率成正比，这等同于更进一步加大了EMI辐射干扰。而由[11]可知，电磁波会有磁场与电场成份，这表示若能降低磁场或电场大小，便能减少EMI辐射干扰。4而差分讯号所产生的磁场，会彼此相消，所产生的电场，会因彼此紧密地耦合在一起，进而减少发散向外的机会[8-10]。由于差分讯号可以减少磁场份量，以及减少发散向外的电场，进而降低EMI辐射干扰，这也是为什么高速数字讯号一般都用差分讯号[1]。5而差分讯号除了可以产生较小的EMI辐射干扰，同时也具备了较佳的抗干扰能力[16-17]，我们以下图说明:B跟C为差分讯号，而A为邻近的讯号，当A跟B、C靠得很近时，A会把能量耦合到B跟C，以S参数表示，A耦合到B为SBA，A耦合到C为SCA。当B跟C很靠近时，则SBA=SCA，而又因为B跟C的讯号方向相反，所以SBA跟SCA是等量又反向，亦即彼此相消，这就是为何差分讯号拥有较佳的抗干扰能力。而在射频电路中，相较于发射讯号，接收讯号多半很微弱，因此其接收路径多半采差分型式，以便获得较佳的抗干扰能力，避免灵敏度下降[18]。6而为了得到良好的频谱利用率，到了数字通讯时代，多半会利用IQ讯号，来达到SSB(Single-Sideband)的调变方式[19]，而因为IQ讯号会影响到调变与解调的精确度，因此不管是发射还接收电路，其IQ讯号都会走差分形式，避免调变与解调精确度，因噪声干扰而下降[18-19]。7Length由前述已知，差分信号的逻辑判断，是仰赖两个信号的交点，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，如下图左。然而倘若该差分信号长度不相等，则会因相位差之故，导致切换电压的时间点不同，如下图右的黄圈处，进而使得逻辑判断错误[4]。另外，由前述已知，数字信号在逻辑切换时，会因电压变换产生电场，进而产生EMI辐射，对邻近走线造成干扰，如下图[12-14]:8但差分讯号所产生的电场，会因彼此紧密地耦合在一起，进而减少发散向外的机会，进而减少EMI幅射干扰，如下图左。然而倘若该差分信号长度不相等，如下图右，此时Length2为一单端讯号，亦即逻辑切换瞬间所产生的电场，会发散向外，产生EMI辐射干扰。若Length2越长，表示该差分讯号的相位差越大，其切换噪声的脉冲宽度就越宽，维持时间就越长[4]。同时也由前述已知，邻近噪声对差分讯号的耦合量，会彼此相消，因而提高抗干扰能力，然而倘若该差分信号长度不相等，如下图，则此时Length2为一单端信号，A耦合到Length2的能量无法消除，亦即B会很容易被A干扰。9而前述已知，为了得到良好的频谱利用率，到了数字通讯时代，多半会利用IQ讯号，来达到SSB(Single-Sideband)的调变方式，亦即频谱上只能有一个Sideband，如下图[19]:且IQ讯号都会走差分形式，避免调变与解调精确度，因噪声干扰而下降，亦即会有I+、I-、Q+、Q-四条讯号，如下图:10由[23]可知，I+、I-、Q+、Q-四条讯号线都必须等长，才能确保IQ讯号相位差为90度，此时便如前述，频谱上只出现了一个Sideband，如下图左。而只要有任一讯号线不等长，那么IQ讯号相位差就不为90度，则称为IQphaseImbalance，在频域上，会出现另一个我们不要的Sideband，称之为Image，如下图右[24]:而Image与主频讯号的振幅差，称之为SidebandSuppression，若上图右的Length2越长，则IQphaseImbalance就越大，亦即SidebandSuppression就越小。反之，若四条讯号线都等长，亦即完全没有IQphaseImbalance，那么理论上会完全无Image，如上图左。11而由[19,23]可知，解调时，会以所谓的EVM(ErrorVectorMagnitude)，来衡量IQphaseImbalance的程度，如下图:而由[23]可知，EVM与SNR成反比，如下式:亦即若前述的Length2越长，那么IQphaseImbalance越大，则EVM越大，SNR越小，灵敏度就越差。12以上皆为差分讯号若不等长的影响，因此，在设计差分讯号时，最重要的就是要等长，越是高速讯号，越要注意等长[5-6]。然而实际上，有可能因为IC的Pin位置关系，使得差分讯号会不等长[26]。或是会因为转弯缘故，使得外侧走线会多出额外的长度，导致相位差，因而产生额外的共模噪声[26]。13因此通常会针对长度较短的走线，用所谓的蛇状线，额外再增加长度，使其差分讯号达到等长的目的，如下图[2]:但要注意的是，其蛇状线要位于不等长之处，如下图绿圈处，而不要位于等长之处，如下图蓝圈处。因为纵使蛇状线，能使差分走线在接收端时的总长度等长，其相位差降到最低，然而下图蓝圈处跟绿圈处，都会因长度不等而有相位差，进而产生额外的共模噪声。换言之，绿圈走法是接收端几乎无相位差，但在讯号传递过程中，会有一次相位差，产生一次额外的共模噪声。而蓝圈走法是接收端几乎无相位差，但在讯号传递过程中，会有两次相位差，产生两次额外的共模噪声，因此最好采绿圈处走法。而上图是因为不等长之处在BGA的Pin里面，并无空间可以走蛇状线，因此只好将蛇状线设计在等长处。当然若空间许可，采绿圈处走法较佳[40-41]。14Separation由[28]可知，差分讯号的阻抗，与间距会有关系，如下图[27]:因此差分讯号的间距要维持固定，否则会因阻抗不连续而产生反射，进而导致EMI幅射干扰加大[12-14]。15另外，差分讯号的间距，不只与阻抗有关，也牵扯到抗干扰能力，我们以下图作说明。B跟C为差分讯号，而A为邻近的讯号，当A跟B、C靠得很近时，亦即S1很小时，A会把能量耦合到B跟C，以S参数表示，A耦合到B为SBA，A耦合到C为SCA。如果B与C靠得很近，亦即S2很小，则SBA=SCA，而又因为B跟C的讯号方向相反，所以SBA跟SCA是等量又反向，会彼此完全相消，因而将A对于B、C的干扰降到最低。然而，若B与C离得很远，亦即S2很大，则SBASCA，那么SBA跟SCA便无法完全相消，此时B会受A的干扰。由此可知，若差分讯号要具有最佳的抗干扰能力，则间距必须越小越好。当然，由前述可知，间距越小，其阻抗就越小，这会使阻抗无法控制得宜，因此，更精确一点讲，在符合阻抗控制的前提下，其间距必须越小越好，这样才可有较佳的抗干扰能力。另外由前述可知，差分讯号可以减少磁场份量，以及减少发散向外的电场，进而降低EMI辐射干扰。然而，倘若S2过大，则磁场无法完全相消，且彼此间所产生的电场，也会因耦合量降低，进而增加发散向外的电场，导致EMI辐射干扰加大，因此，在符合阻抗控制的前提下，其间距必须越小越好，这样才可有较小的EMI辐射干扰。16而前述提到，因此通常会针对长度较短的走线，额外再增加长度，使其差分讯号达到等长的目的，如下图:但由上图绿圈处可知，虽然等长目的达到了，但会因间距加大，导致阻抗不连续，抗干扰能力降低，以及EMI辐射干扰加大，该如何取舍呢?前述说过，差分讯号不等长，会造成逻辑判断错误，而由[4]可知，间距不固定对逻辑判断的影响，几乎是微乎其微。而阻抗方面，间距不固定虽然会有变化，但其变化通常在10%以内，只相当于一个过孔的影响。至于EMI幅射干扰的增加，与抗干扰能力的下降，可在间距变化之处，用GNDFill技巧，并多打过孔直接连到MainGND，以减少EMI幅射干扰，以及被干扰的机会[29-30]。如前述，差分讯号最重要的就是要等长，因此若无法兼顾固定间距与等长，则需以等长为优先考虑。17Bend前述提到，差分走线有可能会因为转弯缘故，使得外侧走线会多出额外的长度，导致相位差，因而产生额外的共模噪声，因此最常见的方法便是再转一次弯，使原本内侧走线变成外侧走线，增加额外长度，来达到等长之效[1]。但上图的转弯方式，不管是第一次转弯还是第二次，都不尽理想，因为90度的转角，会造成阻抗不连续，进而产生反射[42]。18另外，由[43]可知，理想的差分讯号，是不存在模态转换，但90度转角会引起相位差，导致部分讯号会差模转共模，产生额外的共模噪声，进而产生EMI辐射干扰。19且由[42,44]可知，若上升时间越短，其90度转角引起的共模噪声就越大。而下图中的L越长，其90度转角引起的共模噪声也越大[42]。20而若以眼图分析，由于90度转角会阻抗不匹配，以及部分讯号会差模转共模，因此会有损耗。且又因相位差而产生Jitter，换言之，90度转角会使眼图的眼高跟眼宽都变窄[12-14,45-46]。因此在走线过程中，要极力避免90度转角[47]。21当然，实际的PCB走线，不可能从头到尾都直线，没有转弯，换言之，转弯是无可避免的，因此可利用45度转角，以及圆滑转角，来取代90转角[47]。例如前述的二次转弯，可用下图右的方式代替[2,48]。或是因BGA的Pin不对称，需靠转弯来达到等长之效时，可用下图方式达成[41]。22由[45]可知，转角所造成的相位差，以90度转角最大，45度转角次之，圆滑转角最小。而圆滑转角所产生的共模噪声，也确实比90度转角来得小一些[42]。由此我们可知，只要是转角，就会有损耗，相位差跟共模噪声的产生，充其量只是程度多寡，理想上当然尽量避免使用，但如前述，实际的PCB走线，转弯无可避免，因此只能靠45度转角跟圆滑转角来将危害降低[45]。23由前述可知，差分讯号最重要的就是等长，虽然蛇状线与转角，都会有损耗，相位差跟共模噪声的产生，但却是为了确保等长，所不得不采取的措施。然而若以危害程度而言，蛇状线的危害比转角小一些，因此若空间许可，尽量用蛇状线代替转角，来达成等长的目的[41]。24Termination由[12-14]可知，数字讯号会因阻抗不匹配，而产生Overshoot与Undershoot现象，导致波形失真，以及使得系统的NoiseMargin变小，亦即系统抗噪声干扰的能力变弱。同时也会产生EMI辐射，产生噪声，造成干扰，因此需作阻抗匹配。25然而除了走线的阻抗控制，若要达到阻抗匹配，则需进一步仰赖匹配组件的辅助，有别于RF走线，会利用电感与电容来作阻抗匹配[31]，高速数字讯号，主要是利用电阻来作终端匹配[7,16]，以降低反射。而差分讯号的终端电阻，一般都跨接在两信号之间，如下图[32]:至于终端电阻的值，一般都在90奥姆到130奥姆之间。而做完终端匹配后，在时域上，其信号Undershoot与Overshoot的现象大为改善，而在频域上，其噪声成份也减少许多[12-14]。26EMIFilter虽然对于高速数字的差分讯号号传递过程中，其阻抗很难从头到尾维持固定阻抗不连续[33]，以及过孔跟连接器，所导致的