詳解差分信號(hào)

　　我們中的大部分都能直觀地理解信號(hào)是如何沿導(dǎo)線或走線傳播的，即便我們也許對(duì)這種連接方式的名稱并不熟悉——單端模式。術(shù)語(yǔ)“單端”模式將這種方式同至少其它兩種信號(hào)傳播模式區(qū)分開來：差模和共模。后面兩種常?？雌饋砀訌?fù)雜。

　　差模

　　差模信號(hào)沿一對(duì)走線傳播。其中一根走線傳送我們通常所理解的信號(hào)，另一根傳送一個(gè)嚴(yán)格大小相等且極性相反（至少理論上如此）的信號(hào)。差分與單端模式并不像它們乍看上去那樣有很大的不同。記住，所有信號(hào)都有回路。一般地，單端信號(hào)從一個(gè)零電位，或地，電路返回。差分信號(hào)的每一分支都將從地電路返回，除非因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都大小相

等且極性相反以至于返回電流完全抵消了（它們中沒有任何一部分出現(xiàn)在零電位或地電路上）。

　　盡管我不打算在專欄中就這個(gè)問題花太多時(shí)間，共模是指同時(shí)在一個(gè)（差分）信號(hào)的線對(duì)或者在單端走線和地上出現(xiàn)的信號(hào)。對(duì)我們來說這并不容易直觀地去理解，因?yàn)槲覀兒茈y想象怎樣才能產(chǎn)生這樣的信號(hào)。相反通常我們不會(huì)產(chǎn)生共模信號(hào)。通常這些都是由電路的寄生環(huán)境或者從鄰近的外部源耦合進(jìn)電路產(chǎn)生的。共模信號(hào)總是很“糟糕”，許多設(shè)計(jì)規(guī)則就是用來防止它們的發(fā)生。

　　差分走線

　　盡管看起來這樣的順序不是很好，我要在敘述使用差分走線的優(yōu)點(diǎn)之前首先來講述差分信號(hào)的布線規(guī)則。這樣當(dāng)我討論（下面）這些優(yōu)點(diǎn)時(shí)，就可以解釋這些相關(guān)的規(guī)則是如何來支持這些優(yōu)點(diǎn)的。

　　大部分時(shí)候（也有例外）差分信號(hào)也是高速信號(hào)。這樣，高速設(shè)計(jì)規(guī)則通常也是適用的，尤其是關(guān)于設(shè)計(jì)走線使之看起來像是傳輸線的情況 。這意味著我們必須仔細(xì)地進(jìn)行設(shè)計(jì)和布線，如此，走線的特征阻抗在沿線才能保持不變。

　　在差分對(duì)布線時(shí)，我們期望每根走線都與其配對(duì)走線完全一致。也就是說，在最大的可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，差分對(duì)中每根走線應(yīng)該具有一致的阻抗與一致的長(zhǎng)度。差分走線通常以線對(duì)的方式進(jìn)行布線，線對(duì)的間距沿線處處保持不變。通常地，我們盡可能將差分對(duì)靠近布線。

　　差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

　　“單端”信號(hào)通常參考到某些“參考”電位。這有可能是正的或者是地電壓，一個(gè)器件的門限電壓，或者另外某處的信號(hào)。另一方面，差分信號(hào)僅參考到與其配對(duì)信號(hào)。也就是說，如果一根走線（正信號(hào)）上的電壓比另外一根走線（負(fù)信號(hào)）高，我們就得到了一個(gè)邏輯狀態(tài)，如果是低，我們就得到另外一個(gè)邏輯狀態(tài)（見圖1）。這樣有幾個(gè)好處：

　　圖 1當(dāng)差分信號(hào)曲線交叉時(shí)邏輯狀態(tài)在該點(diǎn)發(fā)生改變

　　時(shí)序可以更精確地定義，因?yàn)榭刂埔粚?duì)信號(hào)的交點(diǎn)比控制一個(gè)關(guān)于其他參考電壓的絕對(duì)電壓容易。這也是走線要精確等長(zhǎng)的原因之一。任何在源端所進(jìn)行的時(shí)序控制都可以讓步，如果信號(hào)在不同的時(shí)間到達(dá)另一端。進(jìn)一步來講，如果線對(duì)的遠(yuǎn)端信號(hào)沒有精確相等且極性相反，共模信號(hào)就可能產(chǎn)生并將導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序與EMI問題。

　　因?yàn)槌俗陨恚罘中盘?hào)沒有參考任何其它信號(hào)，并且信號(hào)交叉的同步可以更有力地控制，差分電路通?？梢赃\(yùn)行在比類似的單端電路更高的頻率上。

　　因?yàn)椴罘蛛娐穼?duì)兩根走線（兩者的信號(hào)大小相等極性相反）上信號(hào)的差作出響應(yīng)，得到的凈信號(hào)兩倍于（可比的環(huán)境噪聲）任一單端信號(hào)。因此在其它條件等同的情況下，差分信號(hào)有著更大的信噪比及性能。

　　差分電路對(duì)線對(duì)信號(hào)之間的電位差敏感。但是（相對(duì)地）對(duì)線上與其它參考電壓相比（特別是地）的絕對(duì)電位不敏感。因此，相對(duì)而言，差分電路對(duì)諸如地彈、其它存在于電源和/或地平面的噪聲信號(hào)以及可能出現(xiàn)在每一根走線中相等的共模信號(hào)這樣的問題不敏感。

　　差分信號(hào)對(duì)EMI和串?dāng)_略微免疫。如果線對(duì)走得很近，這樣任何外部耦合噪聲將相等地耦合進(jìn)線對(duì)。這樣一來耦合噪聲就變成“共模”噪聲，而電路對(duì)此是（理論上）免疫的。如果導(dǎo)線是“纏繞”（比如雙絞線）的，那么對(duì)噪聲的免疫性就更好。因?yàn)槲覀儾荒芊奖愕貙⒂≈瓢迳系牟罘肿呔€纏繞起來，把它們盡可能地靠近走線就是最好的辦法了。

　　緊挨著布線的差分對(duì)彼此緊密耦合。這種互耦減少了EMI輻射，特別是與單端走線相比。你可以把這個(gè)認(rèn)為是每根走線的輻射彼此大小相等且極性相反，這樣彼此的輸出就相互抵消了，就像在雙絞線中一樣！差分走線彼此越靠近，耦合越強(qiáng)，EMI輻射的可能性就越小。

　　缺陷

　　差分電路的主要缺陷是走線的增加。因此，如果你的應(yīng)用中這些優(yōu)點(diǎn)沒有一個(gè)是特別重要的，那么就不值得為差分信號(hào)以及附帶的布線考慮增加面積。但是如果這些優(yōu)點(diǎn)在你的電路中產(chǎn)生了顯著的性能差異，那么增加的布線面積就是我們付出的代價(jià)。

　　重要結(jié)論

　　差分線彼此耦合。這種耦合影響了走線的對(duì)外阻抗，因此端接方法 （關(guān)于這個(gè)問題的討論以及如何計(jì)算差分阻抗請(qǐng)參見腳注2）所用的差分阻抗的計(jì)算是困難的。在這里國(guó)家半導(dǎo)體有一些參考，Polar Instruments提供了一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算器（是收費(fèi)的）可以計(jì)算許多不同結(jié)構(gòu) 差分走線的差分阻抗。高端設(shè)計(jì)工具包也能計(jì)算差分阻抗。

　　但是注意是耦合直接影響了差分阻抗的計(jì)算。差分走線之間的耦合必須在整個(gè)線長(zhǎng)內(nèi)保持一致或者阻抗是連續(xù)的。這就是設(shè)計(jì)規(guī)則中“固定間距”的原因。

　　注釋

　　例如，參見"PCB Impedance Control", PC Design, March, 1998，以及"What's All This Critical Length Stuff, Anyhow?", PC Design, October, 1999。

　　"Differential Impedance, What's the Diff

erence", PC Design, August, 1998

　　參見他們的網(wǎng)頁(yè)：http://www.polarinstruments.com/

　　我們通常認(rèn)為信號(hào)以三種模式沿電路傳播：?jiǎn)味?、差模或共?！?/P>

　　單模是我們最熟悉的。它包括介于驅(qū)動(dòng)器與接收器之間的單根導(dǎo)線或走線。信號(hào)沿走線傳播并從地返回1。

　　差模包括介于驅(qū)動(dòng)器與接收器的一對(duì)走線（或?qū)Ь€）。我們一般認(rèn)為其中一根走線傳送正信號(hào)而另一根傳送負(fù)信號(hào)，并且大小相等極性相反，沒有通過地的返回信號(hào)；信號(hào)沿一根走線前進(jìn)并從另外一根返回。

　　共模信號(hào)通常更難于理解。既可以包括單端走線也可以包括兩個(gè)（可能更多）差分走線。同樣的信號(hào)沿走線以及返回路徑（地）或者沿差分對(duì)中的兩根走線流動(dòng)。大部分人往往對(duì)共模信號(hào)不熟悉，因?yàn)槲覀冏?

己從來不會(huì)故意產(chǎn)生它們。它們通常是由從其它（鄰近或外部）源耦合進(jìn)電路的噪聲引起的。一般來講，結(jié)果最好情況是中性的，最壞情況是具有破壞性的。共模信號(hào)能夠產(chǎn)生干擾電路正常運(yùn)行的噪聲，并且是常見的EMI 問題的來源。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　差分信號(hào)相比單端信號(hào)有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)：需要兩根走線而不是一根，或者兩倍的電路板面積。但是差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：如果沒有通過地的返回信號(hào)，地回路的連續(xù)性相對(duì)就變得不重要了。因此，假如我們有一個(gè)模擬信號(hào)通過差分對(duì)連接到數(shù)字器件，就無需擔(dān)心跨越電源邊界，平面不連續(xù)等等問題。差分器件的電源分割也更容易處理2。差分電路在低壓信號(hào)的應(yīng)用中是非常有益的。如果信號(hào)電平非常低，或者如果信噪比是個(gè)問題，那么差分信號(hào)可以有效地倍增信號(hào)電平（+v-(-v)=2v）。差分信號(hào)和差分放大器通常用于信號(hào)電平非常低的系統(tǒng)的輸入級(jí)。

　　差分接收器往往對(duì)輸入信號(hào)電平的差敏感，但是常常被設(shè)計(jì)為對(duì)輸入的共模偏移不敏感。因此在強(qiáng)噪聲環(huán)境中差分信號(hào)往往比單端信號(hào)有著更好的性能。

　　相比單端信號(hào)（以一個(gè)不太精確的受電路板其他位置的噪聲的干擾的信號(hào)為參考）差分信號(hào)（彼此互為參考）的翻轉(zhuǎn)時(shí)序可以更精確地設(shè)定。差分對(duì)的交叉點(diǎn)定義得非常精確（圖1）。單端信號(hào)位于邏輯1 和邏輯0 之間的交叉點(diǎn)受制于（舉例）噪聲、噪聲門限以及門限檢測(cè)問題等等。