差分阻抗（Differential Impedance）是电路中用于描述两条信号线之间的阻抗特性，通常用于传输差分信号的线路中。在差分信号传输中，信号通过两条线分别携带正负信号（正向信号和反向信号），两者之间的电压差才是实际传输的信息。

1. 差分信号和单端信号的区别：

• 单端信号：信号通过一条线传输，信号的参考地通常是电路的地线。

• 差分信号：信号通过两条线路传输，这两条线传递的是相互对称、极性相反的信号。差分信号的优势在于可以抵抗外界干扰（如电磁干扰，EMI）和噪声，因为噪声通常会同时影响两条线路，在接收端，这些噪声会被差分信号的特性消除。

2. 差分阻抗的定义：

差分阻抗是指差分信号在传输过程中，两条信号线之间的阻抗值。它是通过考虑两条传输线之间的电磁场相互作用、导线的几何形状以及材料特性等因素来计算的。差分阻抗通常记作 Zₖ（k是指差分阻抗）。

3. 差分阻抗的计算公式：

差分阻抗的计算通常基于传输线理论，可以通过以下公式近似估算：

$$Z_d = \sqrt{ \frac{L}{C} }$$

其中：

• L：单位长度上的电感。

• C：单位长度上的电容。

电感和电容的值通常取决于导线的几何形状、相对位置、周围介质的特性等因素。

4. 差分阻抗的影响因素：

• 导线间距：两条信号线之间的距离越大，差分阻抗越小；距离越小，差分阻抗越大。

• 导线宽度：导线的宽度也会影响差分阻抗，宽度较大的导线会导致更低的阻抗。

• 介质材料：传输线之间的介质（如PCB材料）具有一定的相对介电常数，也会影响到差分阻抗。

• PCB布局：在PCB设计中，差分信号线的走线方式、层叠结构等因素也会对差分阻抗产生影响。

5. 差分阻抗的重要性：

• 信号完整性：差分阻抗决定了信号的传输效率和完整性。如果差分阻抗不匹配，信号可能会发生反射、失真等问题，影响数据传输质量。

• EMI与噪声抑制：差分信号可以有效地抵抗共模噪声，从而减少电磁干扰（EMI）和噪声。

• 高频应用：在高速数字电路和高速串行通信（如USB、PCIe、Ethernet等）中，差分信号传输是常见的方式，差分阻抗必须严格控制。

6. 差分阻抗与单端阻抗的区别：

• 单端阻抗是指信号在单一线路上传输时的阻抗值，通常与地或参考电压相关。

• 差分阻抗是针对两条线之间的信号而言，通常出现在差分信号传输系统中，反映了两条传输线之间的电场和磁场耦合关系。

7. 差分阻抗与常见的标准：

在高速数字电路设计中，通常需要保持特定的差分阻抗值，如：

• USB、Ethernet、PCIe等高速传输标准通常要求差分阻抗为 100 Ω。

• HDMI、DisplayPort等视频传输接口也有差分阻抗要求。

8. 如何在PCB设计中控制差分阻抗：

• 合理选择线路间距：根据设计需求，合理规划信号线的间距，以确保差分阻抗匹配。

• 选择合适的信号线宽度：根据所选材料的介电常数来确定合适的信号线宽度。

• 选择合适的PCB材料：选择低损耗、高介电常数的材料以提高信号传输效果。

• 考虑信号层与地层的耦合：通过地层或参考层的设计来优化信号的传输效果，避免不必要的信号干扰。

9. 总结：

差分阻抗是设计高速电子系统时至关重要的参数之一，理解和控制差分阻抗能够有效保证信号完整性、减少电磁干扰，并提高系统的性能。它不仅与传输线的几何尺寸有关，还与电路中的材料、布局以及层叠结构等密切相关。在高频电路设计中，保持差分阻抗的一致性是实现可靠数据传输的关键。