探索单端和差分(fēn)信号之间的差异

2021-05-07

探索单端和差分(fēn)信号之间的差异

低速数字接口，一些中等高速组件以及RF信号線(xiàn)将使用(yòng)单端信号。

相反，诸如网络协议和计算机外围设备接口之类的高速数字接口则使用(yòng)差分(fēn)信令。

差分(fēn)信号的長(cháng)度匹配并且受到阻抗控制，以确保在接收器处消除共模噪声。

像这样的复杂板可(kě)能(néng)会使用(yòng)差分(fēn)信号在组件之间发送数据

在过去的几天里，如果您使用(yòng)的電(diàn)话插在墙上，您可(kě)能(néng)会听到其他(tā)人的谈话渗入您的電(diàn)话線(xiàn)。今天，我们在使用(yòng)差分(fēn)对的高速PCB设计中解决了这个以及其他(tā)信号完整性问题。并不是所有(yǒu)组件都将使用(yòng)差分(fēn)信令，而是差分(fēn)对是高速数字信令协议使用(yòng)的主要路由方式，包括标准计算接口（如USB）和网络接口（如以太网）。

单端信号和差分(fēn)信号之间的差异在物(wù)理(lǐ)布局级别上很(hěn)简单，但在信号级别以及驱动器/接收器组件功能(néng)方面却可(kě)能(néng)很(hěn)复杂。如果您是第一次使用(yòng)差分(fēn)信令，请阅读我们的指南以了解有(yǒu)关此信令方法的更多(duō)信息。掌握了差分(fēn)对路由之后，您将具备使用(yòng)一些最高速度的计算接口进行设计所需的基础知识。

什么是单端和差分(fēn)信号？

单端和差分(fēn)信令是在组件之间传输数据的两种方法。如今，数字接口已标准化為(wèi)使用(yòng)以下一种信令方法：低速协议使用(yòng)单端信令，而高速协议使用(yòng)差分(fēn)信令，尽管某些低速协议仍使用(yòng)差分(fēn)信令。这两种类型的信令和路由可(kě)以与各种拓扑一起使用(yòng)。

单端信号很(hěn)容易理(lǐ)解：HIGH電(diàn)平升至逻辑電(diàn)平（5 V，3.3 V等），而LOW電(diàn)平则定义為(wèi)零。差分(fēn)对是不同的；差分(fēn)对的每一侧都承载相同幅度的信号，但极性相反。在接收器处，通过获取每条線(xiàn)上信号電(diàn)平之间的差异来恢复信号。

接收器组件的差分(fēn)信号恢复

成功的读出和信号恢复要求線(xiàn)对的長(cháng)度在一定的小(xiǎo)公差范围内精确匹配。这样做的好处是，如上概念图所示，读取信号时将消除共模噪声。这要求遵循所有(yǒu)差分(fēn)信号的一些基本路由要求。

单端和差分(fēn)对路由

下表显示了差分(fēn)对布線(xiàn)和布局的一般要求。还显示了单端信令要求以进行比较。

差分(fēn)对的信号读取和恢复过程说明了这样的事实，即两对信号携带相等且相反极性的信号。这种简单的想法和差分(fēn)对中的并行布線(xiàn)解决了高速PCB设计中的一些重要信号完整性问题。

差分(fēn)信号可(kě)以解决什么

如果您查看高速信令标准，将会发现主要使用(yòng)差分(fēn)对路由。差分(fēn)对很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，主要有(yǒu)两个原因：

共模噪声。差分(fēn)对在接收器中被读出為(wèi)两对信号電(diàn)平之间的差异。换句话说，任何共模噪声将在接收机处减去，并且不会干扰接收到的信号。这包括可(kě)能(néng)从单端信号接收到的共模串扰。我们将在下面更详细地说明这一点。

缺乏一致的参考。差分(fēn)对不需要统一的接地层即可(kě)提供受控的差分(fēn)阻抗。而是，两对彼此引用(yòng)。有(yǒu)趣的是，如果计算差分(fēn)对的Z参数，则会发现自阻抗和耦合阻抗都发散到无穷大，但是两者之间的差是一个常数。

下图显示了低压差分(fēn)信号（LVDS）中使用(yòng)的驱动器和接收器级。在此，線(xiàn)对周围没有(yǒu)接地层。因為(wèi)信号具有(yǒu)相同的幅度和相反的极性，所以電(diàn)场在差分(fēn)对的每一侧终止。这个特定的图表很(hěn)不错，因為(wèi)它说明了在类似UTP電(diàn)缆上的以太网之类的标准（例如，Cat5）中看到的情况，该情况在互连的重要部分(fēn)可(kě)能(néng)没有(yǒu)任何接地。

LVDS差分(fēn)通道示例

在此示例中，使用(yòng)LVDS时，接收器端的阻抗為(wèi)100 Ohm，该阻抗等于線(xiàn)对的差分(fēn)阻抗。这样可(kě)以消除接收器端差分(fēn)信号中的反射。由于差分(fēn)接收器具有(yǒu)高输入阻抗，因此将端接器与输入并联放置，将注入的電(diàn)流转换為(wèi)可(kě)以在接收器处恢复的電(diàn)压。

差分(fēn)信号无法解决的问题

重要的是要注意，差分(fēn)对并不是解决所有(yǒu)信号完整性问题的灵丹妙药。差分(fēn)对可(kě)能(néng)会遇到一些与单端走線(xiàn)相同的信号完整性问题，但是它们以不同的方式表现出来。这是差分(fēn)对所遇到的广泛的信号完整性问题。

差分(fēn)模式噪声和差分(fēn)串扰。与普遍的看法相反，差分(fēn)对产生串扰，并且容易受到串扰的影响。特别是，在两个差分(fēn)对之间会产生差分(fēn)串扰，这将干扰接收器的信号恢复。

EMI接收。差分(fēn)信号不受所有(yǒu)EMI的影响是另一个神话。这是不正确的。差分(fēn)信号仍然可(kě)以从外部源接收辐射EMI，但是只有(yǒu)差分(fēn)模式噪声会影响接收器。

EMI辐射。与前一点相似，差分(fēn)对确实会发出電(diàn)磁辐射，该電(diàn)磁辐射可(kě)以作為(wèi)其他(tā)互连中的共模噪声接收。但是，成对的每条迹線(xiàn)的场极性相反，因此，当成对的密度较高时，发射的辐射会更弱。

信号失真。当信号沿互连線(xiàn)传播时，会遭受损耗和色散，这两者都会造成信号失真。就像单端信号一样，差分(fēn)信号也会遭受信号失真。

在两种信令中，靠近走線(xiàn)的参考平面都可(kě)以解决一个问题，它可(kě)以屏蔽EMI。通过允许磁场線(xiàn)终止于参考平面，它还為(wèi)走線(xiàn)周围的一些返回電(diàn)流提供了一个位置。参考平面还定义了差分(fēn)对以及单端信号中每个迹線(xiàn)的单端阻抗（特性阻抗）。布線(xiàn)工具可(kě)以帮助您在差分(fēn)对中实施長(cháng)度匹配，同时在布線(xiàn)PCB布局时保持受控的阻抗。