了解差分信號的重要特性，優(yōu)點和應(yīng)用，以及差分信號的正確布局技術(shù)。

基礎(chǔ)知識：單端和差分信號

首先，我們必須先學習一些關(guān)于單端信號傳導的基礎(chǔ)知識，然后再討論過度差異信號及其特征。

單端信令

單端信令是一種將電信號從發(fā)送器傳輸?shù)?a target="_blank">接收器的簡單而常見的方式。電信號通過電壓（通常是變化的電壓）傳輸，該電壓以固定電位為基準，通常為0 V節(jié)點，稱為“接地”。

一根導線承載信號和一根導線具有共同的參考潛力。與信號相關(guān)的電流從發(fā)送器傳送到接收器，并通過接地連接返回電源。如果傳輸多個信號，電路將需要一個導體用于每個信號加一個共用接地連接;因此，例如，可以使用17個導體傳輸16個信號。

單端拓撲

差分信令

差分信令比單端信令少，它使用兩個互補電壓信號，以便傳輸一個信息信號。因此，一個信息信號需要一對導體;一個攜帶信號，另一個攜帶反轉(zhuǎn)信號。

單端與差分：通用時序圖

接收器通過檢測反相和非反相信號之間的電位差來提取信息。兩個電壓信號是“平衡的”，意味著它們具有相對于共模電壓相等的幅度和相反的極性。與這些電壓相關(guān)的返回電流也是平衡的，因此相互抵消;因此，我們可以說差分信號（理想情況下）有零電流流過接地連接。

對于差分信號，發(fā)送器和接收器不一定共用一個公共接地參考。但是，使用差分信號并不意味著發(fā)送器和接收器之間的地電位差異對電路的運行沒有影響。

如果發(fā)送多個信號，每個信號需要兩根導線，即使所有信號都是差分的，也經(jīng)常需要或至少有益于包括接地連接。因此，例如，發(fā)送16個信號將需要33個導體（與單個發(fā)送的17個導體相比）。這證明了差異信號傳導的明顯缺點。

差分信號拓撲

差分信號的好處

然而，差分信號的重要優(yōu)點是可以補償增加的導體數(shù)量。

無返回電流

由于我們（理想情況下）沒有返回電流，因此接地參考變得不那么重要了。地面電位甚至可以在發(fā)送器和接收器處不同，或者在一定的可接受范圍內(nèi)移動。但是，您需要小心，因為直流耦合差分信號（如USB，RS-485，CAN）通常需要共用接地電位，以確保信號保持在接口的最大和最小允許共模電壓范圍內(nèi)。

抵抗入侵EMI和串擾

如果從差分導體外部引入EMI（電磁干擾）或串擾（即附近信號產(chǎn)生的EMI），對于反相和非反相信號同等地加上。接收器響應(yīng)兩個信號之間的電壓差而不是單端（即接地參考）電壓，因此接收器電路將大大降低干擾或串擾的幅度。

這就是差分信號對EMI，串擾或耦合到差分對的兩個信號的任何其他噪聲不太敏感的原因。

降低輸出EMI和串擾

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快速轉(zhuǎn)換（例如數(shù)字信號的上升沿和下降沿）可能會產(chǎn)生大量的EMI。單端和差分信號都會產(chǎn)生EMI，但差分對中的兩個信號會產(chǎn)生（理想情況下）幅度相等但極性相反的電磁場。這與保持兩個導體之間非常接近的技術(shù)（例如使用雙絞線電纜）相結(jié)合，可確保兩個導體的發(fā)射相互抵消。

低壓操作

單端信號必須保持相對較高的電壓，以確保足夠的信噪比（SNR）。常見的單端接口電壓為3.3 V和5 V.由于其抗噪聲性能得到改善，差分信號可以使用更低的電壓并仍能保持足夠的SNR。此外，差分信號的SNR相對于等效的單端實現(xiàn)自動增加了兩倍，因為差分接收器的動態(tài)范圍是差分對中每個信號的動態(tài)范圍的兩倍。

使用較低信號電壓成功傳輸數(shù)據(jù)的能力具有以下幾個重要優(yōu)點：

可以使用較低的電源電壓。

電壓轉(zhuǎn)換較小

降低輻射EMI，

降低功耗，

允許更高的工作頻率。

高或低狀態(tài)和精確定時

您是否想知道我們?nèi)绾未_定信號是處于邏輯高電平還是邏輯低電平狀態(tài)？在單端系統(tǒng)中，我們必須考慮電源電壓，接收器電路的閾值特性，可能是參考電壓的值。當然，存在變化和容差，這會給邏輯高或邏輯低的問題帶來額外的不確定性。

在差分信號中，確定邏輯狀態(tài)更為直接。如果非反相信號的電壓高于反相信號的電壓，則邏輯高電平。如果非反相電壓低于反相電壓，則邏輯低。并且兩個狀態(tài)之間的過渡是非反相和反相信號相交的點 - 即交叉點。

這是匹配導線或跡線長度很重要的一個原因攜帶差分信號：為了獲得最大的定時精度，您希望交叉點與邏輯轉(zhuǎn)換完全對應(yīng)，但是當該對中的兩個導體長度不相等時，傳播延遲的差異將導致交叉點移位。/p>

應(yīng)用程序

目前有許多接口標準采用差分信號。其中包括：

LVDS（低壓差分信號）

CML（電流模式邏輯）

RS485

RS422

以太網(wǎng)

CAN

USB

高質(zhì)量平衡音頻

顯然差分信號的理論優(yōu)勢已經(jīng)在無數(shù)實際應(yīng)用中得到了實際應(yīng)用的證實。

路由差分跟蹤的基本PCB技術(shù)

最后，讓我們學習如何在PCB上路由差分走線的基礎(chǔ)知識。路由差分信號可能有點復(fù)雜，但有一些基本規(guī)則可以使過程更直接。

長度和長度匹配 - 保持平等！

差分信號（理想情況下）大小相等，極性相反。因此，在理想情況下，沒有凈返回電流將流過地面。這種返回電流的缺失是一件好事，所以我們希望盡可能保持一切理想，這意味著差分對中的兩條跡線需要相等的長度。

上升/下降越高您的信號時間（不要與信號的頻率混淆），您必須越多地確保跡線具有相同的長度。您的布局程序可能包含一項功能，可幫助您微調(diào)差分對的跡線長度。如果你難以達到相同的長度，你可以使用“曲折”技術(shù)。

蜿蜒軌跡的一個例子

寬度和間距 - 保持不變！

更接近差分導體越好，信號的耦合就越好。產(chǎn)生的EMI將更有效地抵消，并且接收的EMI將更均勻地耦合到兩個信號中。因此，請盡量將它們放在一起。

您應(yīng)該盡可能遠離相鄰信號路由差分對導線，以避免干擾。應(yīng)根據(jù)目標阻抗選擇跡線之間的寬度和間距，并應(yīng)在跡線的整個長度上保持不變。因此，如果可能的話，走線在PCB周圍移動時應(yīng)保持平行。

阻抗 - 最小化變化！

設(shè)計具有差分信號的PCB時，最重要的事情之一是找出適合您應(yīng)用的目標阻抗，然后再進行布局因此你的差分對。此外，保持阻抗變化盡可能小。

差分線的阻抗取決于諸如走線寬度，走線耦合，銅厚度以及PCB材料和層等因素疊起。當你試圖避免改變差分對阻抗的任何事情時，請考慮其中的每一個。

不要在平面層上的銅區(qū)域之間的間隙上傳輸高速信號，因為這也會影響阻抗。盡量避免地平面的不連續(xù)。

布局建議 - 閱讀，分析和過分他們！

最后但并非最不重要的是，有一個在布線差分走線時，您必須做的非常重要的事情：獲取發(fā)送或接收差分信號的芯片的數(shù)據(jù)表和/或應(yīng)用說明，讀取布局建議并仔細分析。通過這種方式，您可以在特定設(shè)計的約束下實現(xiàn)最佳布局。

結(jié)論

差分信號允許我們以更低的電壓傳輸信息，良好的SNR，更高的抗噪聲能力和更高的數(shù)據(jù)速率。另一方面，導體數(shù)量增加，系統(tǒng)將需要專門的發(fā)射器和接收器而不是標準數(shù)字IC。

如今，差分信號是許多標準的一部分，包括LVDS，USB，CAN，RS -485，和以太網(wǎng)，因此我們都應(yīng)該（至少）熟悉這項技術(shù)。如果您實際設(shè)計的是帶差分信號的PCB，請記得查閱相關(guān)數(shù)據(jù)表和應(yīng)用筆記，如有必要，請再次閱讀本文！