PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）是电子设备中不可或缺的部分，其中的信号走线设计对电路的性能有至关重要的影响。随着数字电路的时钟频率日益提高，差分走线技术因其诸多优势在高速电路设计中得到了广泛应用。本文将探讨差分信号的原理、优势、设计规则及常见的设计误区。
差分信号（Differential Signal）指的是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个信号的电压差值来确定逻辑状态。在高速电路设计中，这种信号传输方式能够显著提高信号的质量和抗干扰能力。承载差分信号的走线被称为差分走线，它们必须保持严格的等长和等距，以确保信号的完整性和电路的性能。
差分走线的优势主要表现在三个方面：
1. 抗干扰能力强。由于差分走线的两根线之间的耦合效果很好，外界噪声会同时耦合到这两条线上，接收端比较的是两个信号的差值，因此共模噪声可以被抵消，从而提高信号的抗干扰能力。
2. 能有效抑制EMI。差分信号因为极性相反，其辐射出的电磁场可以相互抵消，这有助于减少对外界环境的电磁干扰。
3. 时序定位精确。差分信号的开关变化点是两个信号的交点，相对于单端信号的高低阈值电压判断，差分信号受工艺和温度变化的影响较小，时序误差低，适合低幅度信号电路。
在PCB设计中，保持差分走线的等长和等距是为了保证两个信号的极性始终相反，降低共模分量，同时保证阻抗一致，减少反射。"尽量靠近原则"是指差分走线在保持等长等距的基础上，应该尽可能靠近，以增强它们之间的耦合，从而提高抗干扰能力和减少对外电磁干扰。
然而，一些工程师可能对高速差分信号传输的机理认识不足，容易陷入以下常见误区：
误区一：差分信号不需要地平面作为回流路径。实际上，差分信号的回流仍然需要地平面，因为高频信号会沿电感最小的路径进行回流，地平面是其主要的回流路径。差分信号除了与地平面之间的耦合外，还存在信号线之间的耦合，其中较强的一种耦合成为主要的回流通路。当地平面不连续时，差分走线之间的耦合将可能成为主要的回流路径，但这样做可能会降低信号质量，增加EMI，因此应尽量避免。
误区二：保持等间距比匹配线长更重要。在实际布线中，由于管脚分布、过孔和走线空间等因素的限制，往往难以同时满足两者的要求。仿真结果和理论分析表明，等间距造成的差异影响较小，而线长不匹配则可能导致时序偏移和共模成分的引入，影响信号质量。因此，在PCB差分走线设计中，匹配线长是最重要的规则。
误区三：差分走线一定要靠得很近。虽然靠得近可以增强信号线之间的耦合，提高抗干扰能力和利用相反极性的磁场抵消对外界电磁干扰，但也要考虑实际布线的灵活性。如果可以保证信号线之间的耦合，那么它们不必总是靠得很近。重要的是要保证信号质量，符合设计要求和实际应用。
在高速电路PCB设计中，正确理解和应用差分走线技术对于保证信号完整性、提高电路性能至关重要。设计人员应熟悉差分信号的基本原理，掌握设计规则，并在实践中灵活运用，避免进入常见的设计误区。
