差分信號基礎(chǔ)知識

1、差分信號1概述差分傳輸是一種信號傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號線一根地線的做法，差分傳輸差分信號（4張）在這兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的振幅相等，相位相反。在這兩根線上的傳輸?shù)男盘柧褪遣罘中盘?。信號接收端比較這兩個電壓的差值來判斷發(fā)送端發(fā)送的是邏輯0還是邏輯1。在電路板上，差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。2簡介含義差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。差分信號又稱差模信號，是相對共模信號而言的。我們用一個方法對差分信號做一下比喻，差分信號就好比是蹺蹺板上的兩個人，當(dāng)一個人被蹺上去的時候，另一個人被蹺下來了-但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，

2、正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0表示兩個人都是同一水平。圖1用蹺蹺板表示的差分信號應(yīng)用到電學(xué)上，這兩個蹺蹺板用一對標(biāo)識為V+和V-的導(dǎo)線來表示。特點(diǎn)從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)地被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)?shù)禺?dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因為信號是用單個導(dǎo)體上的電壓來表示的。另一方面，一個差分信號作用在兩個導(dǎo)體上。信號值是兩個導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個電壓的平均值還是會經(jīng)常保持一致?？梢韵胂?，這兩個導(dǎo)體上被同時加入的一個相等的電壓，也就是所謂共模

3、信號，對一個差分放大系統(tǒng)來說是沒有作用的，也就是說，盡管一個差分放大器的輸入有效信號幅度只需要幾毫伏，但它卻可以對一個高達(dá)幾伏特的共模信號無動于衷。這個指標(biāo)叫做差分放大器的共模抑制比（CMRR）,般的運(yùn)算放大器可以達(dá)到90db以上，高精度運(yùn)放甚至達(dá)到120db。因為干擾信號一般是以共模信號的形式存在，所以差分信號的應(yīng)用極大地提高了放大器系統(tǒng)的信噪比。優(yōu)點(diǎn)當(dāng)不采用單端信號而采取差分信號方案時，我們用一對導(dǎo)線來替代單根導(dǎo)線，增加了任何相關(guān)接口電路的復(fù)雜性。那么差分信號提供了什么樣的有形益處，才能證明復(fù)雜性和成本的增加是值得的呢？差分信號的第一個好處是，因為你在控制基準(zhǔn)電壓，所以能夠很容易地識別小信

4、號。在一個地做基準(zhǔn)，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)地的一致性。信號源和信號接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大程度上與地的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。差分信號的第二個主要好處是，它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的EMI還要少。差分信號提供的第三個好處是，在一個單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理雙極信號。為了處理單端，單電源系統(tǒng)的雙極信號，我們必須在地和電源干線之間某

5、任意電壓處（通常是中點(diǎn)）建立一個虛地。用高于虛地的電壓來表示正極信號，低于虛地的電壓來表示負(fù)極信號。接下來，必須把虛地正確地分布到整個系統(tǒng)里。而對于差分信號，不需要這樣一個虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號有一個高真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。作用對差分信（VDS）號而言，對其影響最大的因素是它們的對地阻抗是否一致，也就是對地平衡度，它們之間相對的阻抗影響并不特別重要，之間分布電容大了只會衰落信號強(qiáng)度，不會引入噪聲和干擾，也就是對信噪比不會產(chǎn)生很大影響。差分信號只是使用兩根信號線傳輸一路信號，依靠信號間電壓差進(jìn)行判決的電路，既可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。實際的信號都是模擬信號，數(shù)字信號只

6、是模擬信號用門限電平量化后的取樣結(jié)果。因此差分信號對于數(shù)字和模擬信號都可以定義。一個差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)“地”（GND）被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)“地”當(dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因為信號是用單個導(dǎo)體上的電壓來表示的。VDS不是傳輸速率快，是抗干擾能力強(qiáng)。有信號時，一棵線電壓+V,另一棵線電壓-V,接收端獲得的信號是兩者的差值+V-（-V）=2V。外界的干擾信號在兩棵線上的是同樣幅度和極性的+v信號，在接收端差值的過程中互相抵消了。由于

7、抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字信號不易出錯,可以避免因校驗出錯引起的重發(fā)，從這個意義上說差分信號傳輸速率。差分的概念在模擬電路課程里已經(jīng)學(xué)習(xí)過了。差分信號是一對大小相等而極性相反的對稱信號，差分信號用于傳輸有用的信號。共模信號是作用于差分信號線上的一對大小相等極性也相同的信號，共模信號往往來自于外部干擾。差分信號在接收端是靠差分放大器來檢測的。差分放大器只對兩路輸入信號之間的差值起放大作用，而對兩路輸入信號共同對地的電位不起作用。差分傳輸?shù)男盘柲軌驅(qū)ν獠扛蓴_起到很強(qiáng)的抗干擾能力。原始的輸入信號經(jīng)過倒相器和緩沖器之后形成一對大小相等而極性相反的差分信號。對模擬信號，倒相器可以用運(yùn)算放大器的反相比例放大電路來

8、實現(xiàn)，緩沖器可以用運(yùn)算放大器的同相跟隨電路來實現(xiàn)。對數(shù)字信號，可以分別用“非門”邏輯和同相緩沖器來實現(xiàn)。差分信號在PCB（印制線路板）上被安排成“密近平行線”（PCB布線要領(lǐng)?。?，用電纜連接兩臺設(shè)備時則采用并行排線或雙絞線。在差分信號傳輸過程中會遇到外部干擾信號，但是，由于兩根差分信號線始終在一起，因此干擾信號一般都會同時作用在兩根信號線上，形成疊加在兩根信號線上大小相等相位也相同的共模信號。到了接收端，差分放大器只對差分信號（有用信號）敏感，而對共模信號（干擾信號）形成抑制。這樣，差分傳輸?shù)男盘柧途邆淞撕軓?qiáng)的抗干擾能力，因此特別適用于中遠(yuǎn)距離通信或高速通信。相比之下，UART的兩根信號線TX

9、D和RXD就不適合于遠(yuǎn)距離通信，因為不是差分信號，所以一旦遇到外部干擾，信號就會嚴(yán)重畸變，在接收端因無法區(qū)分有用信號的和干擾信號而會形成大量的誤碼。3比較差分信號與傳統(tǒng)的一根信號線一根地線（即單端信號）走線的做法相比，其優(yōu)缺點(diǎn)分別是：優(yōu)點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)。干擾噪聲一般會等值、同時的被加載到兩根信號線上，而其差值為0，即，噪聲對信號的邏輯意義不產(chǎn)生影響。2、能有效抑制電磁干擾（EMI）。由于兩根線靠得很近且信號幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場的幅值也相等，同時他們的信號極性相反，其電磁場將相互抵消。因此對外界的電磁干擾也小。3、時序定位準(zhǔn)確。差分信號的接受端是兩根線上的信號幅值之差發(fā)生正

10、負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯0/1跳變的點(diǎn)的。而普通單端信號以閾值電壓作為信號邏輯0/1的跳變點(diǎn)，受閾值電壓與信號幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號。缺點(diǎn)若電路板的面積非常緊張，單端信號可以只有一根信號線，地線走地平面，而差分信號一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這樣的情況常常發(fā)生在芯片的管腳間距很小，以至于只能穿過一根走線的情況下。4常見誤區(qū)誤區(qū)一認(rèn)為差分信號不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對高速信號傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識還不夠深入。差分電路對于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號是不敏感的

11、。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號返回路徑，其實在信號回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路在PCB電路設(shè)計中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占1020%的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時候，無參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對差分走線的影響沒有對普通的單端走線來的嚴(yán)重，但還是會降低差分信號的質(zhì)量，

12、增加EMI,要盡量避免。也有些設(shè)計人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？不給共模信號提供地阻抗回路，勢必會造成EMI輻射，這種做法弊大于利。1誤區(qū)二認(rèn)為保持等間距比匹配線長更重要。在實際的PCB布線中，往往不能同時滿足差分設(shè)計的要求。由于管腳分布，過孔，以及走線空間等因素存在，必須通過適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長匹配的目的，但帶來的結(jié)果必然是差分對的部分區(qū)域無法平行。PCB差分走線的設(shè)計中最重要的規(guī)則就是匹配線長，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計要求和實際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。誤區(qū)三認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。讓差分走線靠近無非是

13、為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對噪聲的免疫力，還能充分利用磁場的相反極性來抵消對外界的電磁干擾。雖說這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制EMI的目的了。如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？增大與其它信號走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過4倍線寬時，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的（10G以上）IC封裝PCB設(shè)計中經(jīng)常會用采用，被稱為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)

14、格的差分阻抗控制（2Z0）。差分走線也可以走在不同的信號層中，但一般不建議這種走法，因為不同的層產(chǎn)生的諸如阻抗、過孔的差別會破壞差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周圍走線適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個問題。在一般頻率（GHz以下），EMI也不會是很嚴(yán)重的問題，實驗表明，相距500Mils的差分走線，在3米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達(dá)到60dB,足以滿足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計者根本不用過分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問題。誤區(qū)四差分曼切斯特編碼并不是差分信號的一種，它指的是用在每一位開始時的電平跳變來表示邏輯狀態(tài)“0

15、”，不跳變來表示邏輯狀態(tài)“1”。但每一位中間的跳變是用來做同步時鐘，沒有邏輯意義。誤區(qū)五雙絞線上面走的不一定是差分信號，單端信號在雙絞線上的電磁輻射也比平行走線的輻射小。5布線策略布線非?？拷牟罘中盘枌ο嗷ブg也會互相緊密耦合，這種互相之間的耦合會減小EMI發(fā)射，差分信號線的主要缺點(diǎn)是增加了PCB的面積，本文介紹電路板設(shè)計過程中采用差分信號線布線的布線策略。眾所周知，信號存在沿信號線或者PCB線下面?zhèn)鬏數(shù)奶匦?即便我們可能并不熟悉單端模式布線策略，單端這個術(shù)語將信號的這種傳輸特性與差模和共模種信號傳輸方式區(qū)別開來，后面這兩種信號傳輸方式通常更為復(fù)雜。差分和共模方式差模信號通過一對信號線來傳輸

16、。一個信號線上傳輸我們通常所理解的信號；另一個信號線上則傳輸一個等值而方向相反（至少在理論上是這樣）的信號。差分和單端模式最初出現(xiàn)時差異不大，因為所有的信號都存在回路。單端模式的信號通常經(jīng)由一個零電壓的電路（或者稱為地）來返回。差分信號中的每一個信號都要通過地電路來返回。由于每一個信號對實際上是等值而反向的，所以返回電路就簡單地互相抵消了，因此在零電壓或者是地電路上就不會出現(xiàn)差分信號返回的成分。共模方式是指信號出現(xiàn)在一個（差分）信號線對的兩個信號線上，或者是同時出現(xiàn)在單端信號線和地上。對這個概念的理解并不直觀，因為很難想象如何產(chǎn)生這樣的信號。這主要是因為通常我們并不生成共模信號的緣故。共模信號

17、絕大多數(shù)都是根據(jù)假想情況在電路中產(chǎn)生或者由鄰近的或外界的信號源耦合進(jìn)來的噪聲信號。共模信號幾乎總是“有害的”，許多設(shè)計規(guī)則就是專為預(yù)防共模信號出現(xiàn)而設(shè)計的。差分信號線的布線通常（當(dāng)然也有一些例外）差分信號也是高速信號，所以高速設(shè)計規(guī)則通常也都適用于差分信號的布線，特別是設(shè)計傳輸線這樣的信號線時更是如此。這就意味著我們必須非常謹(jǐn)慎地設(shè)計信號線的布線，以確保信號線的特征阻抗沿信號線各處連續(xù)并且保持一個常數(shù)。在差分線對的布局布線過程中，我們希望差分線對中的兩個PCB線完全一致。這就意味著，在實際應(yīng)用中應(yīng)該盡最大的努力來確保差分線對中的PCB線具有完全一樣的阻抗并且布線的長度也完全一致。差分PCB線通

18、?？偸浅蓪Σ季€，而且它們之間的距離沿線對的方向在任意位置都保持為一個常數(shù)不變。通常情況下，差分線對的布局布線總是盡可能地靠近。差分信號的優(yōu)勢單端信號通常總是參照某種“參考”電平。這種“參考”電平可能是一個正值電壓也可能是地電壓、一個器件的閾值電壓、或者是其它什么地方的另外一個信號。而另一方面差分信號則總是參照該差分線對中的另一方。也就是說，如果一個信號線（+信號）上的電壓高于另一個信號線（-信號）上的電壓，那么我們就可以得到一種邏輯狀態(tài)；而如果前者低于后者那么我們就可以得到另外的一種邏輯狀態(tài)。幾個優(yōu)點(diǎn)時序得到精確的定義，這是由于控制信號線對的交叉點(diǎn)要比控制信號相對于一個參考電平的絕對電壓值來得

19、簡單。這也是需要精確實現(xiàn)差分線對等長布線的一個理由。如果信號不能同時到達(dá)差分線對的另一端的話，那么源端所能夠提供的任何時序的控制都會大打折扣。此外，如果差分線對遠(yuǎn)端的信號并非嚴(yán)格意義上的等值而反向，那么就會出現(xiàn)共模噪聲，而這將導(dǎo)致信號時序和EMI方面的問題。由于差分信號并不參照它們自身以外的任何信號，并且可以更加嚴(yán)格地控制信號交叉點(diǎn)的時序，所以差分電路同常規(guī)的單端信號電路相比通常可以工作在更高的速度。由于差分電路的工作取決于兩個信號線（它們的信號等值而反向）上信號之間的差值，同周圍的噪聲相比，得到的信號就是任何一個單端信號的兩倍大小。所以，在其它所有情況都一樣的條件下，差分信號總是具有更高的信噪比因而提供更高的性能。差分電路對于差分對上的信號電平之間的差異非常靈敏。但是相對于一些其它的參考（尤其是地）來說，它們對于差分線上的絕對電壓值卻不敏感。相對來說，差分電路對于類似地彈反射和其它可能存在于電源和地平面上的噪聲信號等這樣的問題是不敏感的，而對共模信號來說