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什么是差分信号?

日期: 2020-08-20
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差分传输是一种信号传输的技术,区别于传统的一根信号线一根地线的做法,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相同,相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。

什么是差分信号?

信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态,在电路板上,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线,这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。优点是抗干扰能力强,缺点是电路比单端传输的复杂,一般在高速信号中, 其电压幅度比较低, 像MIPI DSI规范低速振幅=1200mv, 而高速振幅=200mv, 所以采用上面的单端走线的话抗干扰能力实在太差了, 因此高速(低振幅)大部分是使用差分信号。如下图

什么是差分信号?

差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号,那么什么是共模信号呢?当两输入端所接信号大小相等,极性相反时,称为差模输入信号;当两输入端所接信号大小相等、极性相同时,称为共模信号。


什么是差分信号?

实际应用中,温度的变化各种环境噪声的影响时共模噪声,也称为对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声。差分放大电路时直接耦合放大电路的基本组成单元,对于共模信号起到很强的抑制作用,未对差模信号起到放大租用,并且电路的放大能力与输出方式有关。

什么是差分信号?

为了提高信号在高速率、长距离情况下传输的可靠性,大部分高速的数字串行总线都会采用差分信号进行信号传输。差分信号是用一对反相的差分线进行信号传输,发送端采用差分的发送器,接收端相应采用差分的接收器。下图是个差分线的传输模型及真实的差分PCB走线。

什么是差分信号?

采用差分传输方式后,由于差分线对里正负信号的走线是紧密耦合在一起的,所以外界噪声对于两根信号线的影响是一样的。而在接收端,由于其接收器是把正负信号相减的结果做为逻辑判决的依据,因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平的波动,对于最后的逻辑电平判决影响很小。相对于单端传输方式,差分传输方式的抗干扰、抗共模噪声能力大大提高。下图是一个差分传输对共模噪声抑制的一个例子。

什么是差分信号?

采用差分方式进行信号传输会使得收发端的电路变得复杂,系统的功耗也随之上升,但是由于其优异的抗干扰能力以及可靠的传输特性,使得差分传输方式在需要进行高速数字信号的传输或者恶劣工作环境的领域得到了广泛的应用,如LVDS、PCI-E、SATA、USB、HDMI1394、CAN、Flexray等总线都是采用差分的信号传输方式。


讯号传输模式其实很简单
差模信号通过一对信号线来传输。一个信号线上传输我们通常所理解的信号;另一个信号线上则传输一个等值而方向相反(至少在理论上是这样)的信号。差分和单端模式最初出现时差异不大,因为所有的信号都存在回路。单端模式的信号通常经由一个零电压的电路(或者称为地)来返回。差分信号中的每一个信号都要通过地电路来返回。由于每一个信号对实际上是等值而反向的,所以返回电路就简单地互相抵消了,因此在零电压或者是地电路上就不会出现差分信号返回的成分, 共模方式是指信号出现在一个(差分)信号线对的两个信号线上,或者是同时出现在单端信号线和地上。对这个概念的理解并不直观,因为很难想象如何产生这样的信号。这主要是因为通常我们并不生成共模信号的缘故。共模信号绝大多数都是根据假想情况在电路中产生或者由邻近的或外界的信号源耦合进来的噪声信号。共模信号几乎总是“有害的”,许多设计规则就是专为预防共模信号出现而设计的。
差模信号与共模信号的转化


输线中不仅存在传播信息的差模信号,还有不传播信息的共模信号,理想情况是不存在相互转化的,但是理想很丰满,现实很骨感。差模信号与共模信号的转化是由于差分传输线不对称造成的,造成不对称的原因很多,差分传输线的长度差像拐角、差分传输线由于刻蚀差异造成传输线特性阻抗不同、两个传输线的差异性耦合、临近效应、终端差异,弯曲等等都可能是造成差模信号与共模信号的转化。这种转化我们可以理解为两条传输线的延迟是不同的,当信号在传输线上传播由于到达终端的延迟是不同的,一个早一些到达,这样就会产生相位差,将部分差模信号转化成共模信号。转化的为共模信号的多少由信号频率、传输线的长度、两条传输线上的信号时延差所决定的。

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