1什么是差分信號(hào)

差分信號(hào)是指利用兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)pin去驅(qū)動(dòng)兩根傳輸線。這兩根傳輸線，一根傳輸信號(hào)，另一根傳輸它的互補(bǔ)信號(hào)。接收端看到的信號(hào)是這兩條傳輸線上的信號(hào)壓差。差分對(duì)就是用來傳輸一對(duì)差分信號(hào)，并且存在耦合關(guān)系的傳輸線。例如LVDS就是一種常見的低壓差差分信號(hào)。

差分信號(hào)和單端信號(hào)比較，有如下特點(diǎn)：

（1）差分信號(hào)的總dI/dt比單端信號(hào)少，降低EMI噪聲和軌道塌陷。

（2）差分信號(hào)在一對(duì)緊耦合差分傳輸線上傳輸，對(duì)返回路徑的依賴沒那么大。

（3）同樣的，差分信號(hào)在通過連接器、接插件時(shí)，對(duì)返回路徑要求也沒那么高。（單端信號(hào)通過連接器、接插件時(shí)，受制于返回路徑的影響，可以看上一篇文章）。

（4）使用差分線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離差分信號(hào)的傳輸。

（5）差分信號(hào)的缺點(diǎn)是，如果設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，在差分信號(hào)線上有共模信號(hào)存在，會(huì)帶來額外的EMI問題。

（6）傳輸同樣的數(shù)據(jù)，差分信號(hào)需要2根信號(hào)線。這意味著電路連接更多、所需PCB面積更大。

下圖是一對(duì)差分信號(hào)。差分線+和GND之間信號(hào)電壓是V1，差分線-和GND之間信號(hào)電壓是V2。差分線之間的電壓是Vdiff

差模信號(hào)：Vdiff=V1-V2

共模信號(hào)：Vcomm=1/2*(V1+V2）

V1=Vcomm+1/2*Vdiff

V2=Vcomm-1/2*diff

這些信號(hào)和公式可以用來描述任何一對(duì)傳輸線上的信號(hào)，即使它們本身不是同一組差分對(duì)信號(hào)。

下圖是某芯片的LVDS信號(hào)定義和其測(cè)試波形。

理論上共模信號(hào)是恒定的。但實(shí)際上，因?yàn)?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)、線纜的差異等，都會(huì)引起共模信號(hào)的改變，并且?guī)韮蓚€(gè)問題。

（1）當(dāng)共模信號(hào)過高時(shí)，負(fù)載端差分接收器的輸入放大器會(huì)飽和，使之不能準(zhǔn)確讀取差分信號(hào)電壓值。

（2）當(dāng)共模信號(hào)有變化時(shí)，會(huì)引起EMI問題。

2差分對(duì)

上面提到差分對(duì)就是用來傳輸一對(duì)差分信號(hào)，并且存在耦合關(guān)系的傳輸線。理論上說，任何兩條傳輸線都可以構(gòu)成一個(gè)差分對(duì)。下圖是幾種差分對(duì)。

雖然任何兩條傳輸線都可以構(gòu)成一個(gè)差分對(duì)，但是真正的差分信號(hào)，為了確保信號(hào)完整性，還是需要仔細(xì)設(shè)計(jì):

（1）差分對(duì)的橫截面積需要恒定不變，確保有恒定的阻抗。它們可以保證信號(hào)反射和失真最小。

（2）差分信號(hào)的長度要一致，目的是確保每根線上的時(shí)延相同。如果差分對(duì)的長度不同，會(huì)造成差分信號(hào)有時(shí)延和skew問題，進(jìn)而導(dǎo)致共模噪聲出現(xiàn)。

（3）差分對(duì)的兩條線要完全對(duì)稱。例如兩條線的線寬、兩條線到介質(zhì)層的距離要完全相同。再例如果一條線上有測(cè)試焊盤，另一條線上沒有測(cè)試焊盤，這種不對(duì)稱就會(huì)帶來共模信號(hào)。

（4）差分對(duì)的兩條線可以不耦合（這并不常見）。沒有耦合的差分線對(duì)抗噪聲的能力會(huì)下降。差分線間的耦合程度越強(qiáng)，差分信號(hào)就越不容易受到干擾。

（5）差分對(duì)信號(hào)的最重要電氣特性就是差分阻抗。

3無耦合的差分對(duì)阻抗

（一）無耦合的差分對(duì)阻抗

差分信號(hào)的阻抗是差分信號(hào)電壓和電流的比值。

什么樣的差分對(duì)算是無耦合的差分對(duì)？為了使差分對(duì)的耦合降到最小，需要拉大差分對(duì)之間的距離，足夠大的距離使差分對(duì)之間沒有耦合。例如差分對(duì)的線間距至少是線寬的2倍，此時(shí)它們之間的耦合關(guān)系就不大了。

假設(shè)差分線中的每根單端線的單端阻抗Z0=50Ω，每根單端線和地平面（返回路徑）之間的電壓差是Vo，流過每根單端線和返回路徑的電流是Io，它們之間的關(guān)系是

Io=Vo/Zo

因?yàn)椴罘志€上的信號(hào)是反向的。針對(duì)差分線+，假設(shè)它的信號(hào)是從0V跳變到1V；同時(shí)差分線-上，它的信號(hào)是從1V跳變到0V。每根線都有一個(gè)電流。

流過差分線+的電流是Io=1V/50Ω=20mA。流過差分線-的電流也是20mA，只是電流方向和前者相反。差分線+和差分線-之間的差分信號(hào)壓差是1V-（-1V）=2V。差分信號(hào)的阻抗是

Zdiff=Vdiff/Io=2V/20mA=100Ω=2*Zo

看起來差分阻抗是單獨(dú)阻抗的2倍，當(dāng)然這僅僅針對(duì)無耦合關(guān)系的差分對(duì)。

（二）無耦合的差分對(duì)端接

差分信號(hào)從源端傳輸?shù)截?fù)載端，如果負(fù)載端阻抗很大。差分信號(hào)會(huì)反射回源端，多次反射就會(huì)帶來振鈴問題，影響信號(hào)質(zhì)量。如下圖中U1是一顆SOC，U2是一顆DDR。TL1和TL2是SOC和DDR之間的CLK+和CLK-傳輸線。

當(dāng)R3不連接時(shí)，由于差分信號(hào)在差分傳輸線上來回反射，會(huì)造成信號(hào)有振鈴。

如下圖是U2上的CLK+、CLK-、CLK+和CLK-的差分信號(hào)波形。

修改電路和PCB，使R3=Zdiff=100歐姆，并且讓R3靠近DDR的時(shí)鐘pin放置時(shí)（圖中R3接入網(wǎng)絡(luò))，信號(hào)質(zhì)量明顯變好。

再例如TI的串行器DU90UB947。它是一顆接收來自SOC的LVDS信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成FPD-LINK信號(hào)，通過同軸電纜或者雙絞線傳輸出的芯片。在汽車中控和儀表顯示中，用來連接Head unit和中控屏幕或者儀表屏幕。在947的spec中就提到設(shè)計(jì)SOC和947之間的LVDS信號(hào)時(shí)，需要在靠近947那邊布置100歐姆匹配電阻。