常见问题：什么是差分信号.doc

常见问题：什么是差分信号？一个差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，系统地被用作电压基准点。当地当作电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。另一方面，一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。我们用一个方法对差分信号做一下比喻，差分信号就好比是跷跷板上的两个人，当一个人被跷上去的时候，另一个人被跷下来了 - 但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推，正值可以表示左边的人比右边的人高，而负值表示右边的人比左边的人高。0 表示两个人都是同一水平。图1 用跷跷板表示的差分信号应用到电学上，这两个跷跷板用一对标识为V+和V-的导线来表示。当V+V-时，信号定义成正极信号，当V+V-时，信号定义成负极信号。图2 差分信号波形和单端等价图2 差分对围绕摆动的平均电压设置成 2.5V。当该对的每个信号都限制成 0-5V 振幅时，偏移该差分对会提供一个信号摆动的最大范围。当用单一 5V 电源操作时，经常就会出现这种情况。当不采用单端信号而采取差分信号方案时，我们用一对导线来替代单根导线，增加了任何相关接口电路的复杂性。那么差分信号提供了什么样的有形益处，才能证明复杂性和成本的增加是值得的呢？差分信号的第一个好处是，因为你在控制基准电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准，单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统内地的一致性。信号源和信号接收器距离越远，他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与地的精确值无关，而在某一范围内。差分信号的第二个主要好处是，它对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。差分信号提供的第三个好处是，在一个单电源系统，能够从容精确地处理双极信号。为了处理单端，单电源系统的双极信号，我们必须在地和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高*真度，而无须依赖虚地的稳定性。電路板設計過程中採用差分信號線佈線的優勢和佈線策略佈線非常靠近的差分信號對相互之間也會互相緊密耦合，這種互相之間的耦合會減小EMI發射，差分信號線的主要缺點是增加了PCB的面積，本文介紹電路板設計過程中採用差分信號線佈線的佈線策略。 眾所周知，信號具有沿信號線或者PCB線下面傳輸的特性，即便我們可能並不熟悉單端模式佈線策略，單端這個術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別開來，後面這兩種信號傳輸方式通常更為複雜。 差分和共模方式 差模信號透過一對信號線來傳輸。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透過地電路來返回。由於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差分信號返回的成份。 共模方式是指信號出現在一個(差分)信號線對的兩個信號線上，或者是同時出現在單端信號線和地上。對這個概念的理解並不直觀，因為很難想象如何產生這樣的信號。這主要是因為通常我們並不產生共模信號的緣故。共模信號絕大多數都是根據假想情況在電路中產生或者由鄰近的或外界的信號源耦合進來的噪音信號。共模信號幾乎總是有害的，許多設計規則就是專為預防共模信號出現而設計的。 差分信號線的佈線 通常(當然也有一些例外)差分信號也是高速信號，所以高速設計規則通常也都適用於差分信號的佈線，特別是設計傳輸線1這樣的信號線時更是如此。這就意味著我們必須非常謹慎地設計信號線的佈線，以確保信號線的特徵阻抗沿信號線各處連續並且保持一個常數。 在差分線對的佈局佈線過程中，我們希望差分線對中的兩個PCB線完全一致。這就意味著，在實際應用中應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並且佈線的長度也完全一致。差分PCB線通常總是成對佈線，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不變。通常情況下，差分線對的佈局佈線總是盡可能地靠近。 差分信號的優勢 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、一個元件的閾值電壓、或者是其它什麼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)上的電壓高於另一個信號線(-信號)上的電壓，那麼我們就可以得到一種邏輯狀態；而如果前者低於後者那麼我們就可以得到另外的一種邏輯狀態。 差分信號具有如下幾個優點： 1. 時序得到精確的定義，這是由於控制信號線對的交叉點要比控制信號相對於一個參考電平的絕對電壓值來得簡單。這也是需要精確實現差分線對等長佈線的一個理由。如果信號不能同時到達差分線對的另一端的話，那麼源端所能夠提供的任何時序的控制都會大打折扣。此外，如果差分線對遠端的信號並非嚴格意義上的等值而反向，那麼就會出現共模噪音，而這將導致信號時序和EMI方面的問題。 2. 由於差分信號並不參照它們自身以外的任何信號，並且可以更加嚴格地控制信號交叉點的時序，所以差分電路同常規的單端信號電路相比通常可以工作在更高的速度。 由於差分電路的工作取決於兩個信號線(它們的信號等值而反向)上信號之間的差值，同周圍的噪音相比，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。 差分電路對於差分對上的信號電平之間的差異非常靈敏。但是相對於一些其它的參考(尤其是地)來說，它們對於差分線上的絕對電壓值卻不敏感。相對來說，差分電路對於類似地彈反射和其它可能存在於電源和地平面上的噪音信號等這樣的問題是不敏感的，而對共模信號來說，它們則會完全一致地出現在每一條信號線上。 差分信號對EMI和信號之間的串擾耦合也具有一定的免疫能力。如果一對差分信號線對的佈線非常緊湊，那麼任何外部耦合的噪音都會相同程度地耦合到線對中的每一條信號線上。所以耦合的噪音就成為共模噪音，而差分信號電路對這種信號具有非常完美的免疫能力。如果線對是絞合在一起的(比如雙絞線)，那麼信號線對耦合噪音的免疫能力會更強。由於不可能在PCB上很方便地實現差分信號的絞合，那麼盡可能地將它們的佈線靠近在一起就成為實際應用中一種非常好的辦法。 佈線非常靠近的差分信號對相互之間也會互相緊密耦合。這種互相之間的耦合會減小EMI發射，特別是同單端PCB信號線相比。可以這樣想象，差分信號中每一條信號線對外的輻射是大小相等而方向相反，因此會相互