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

基礎(chǔ)知識(shí)：?jiǎn)味撕筒罘中盘?hào)

首先，我們必須先學(xué)習(xí)一些關(guān)于單端信號(hào)傳導(dǎo)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后再討論過(guò)度差異信號(hào)及其特征。

單端信令

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

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

單端拓?fù)?/p>

差分信令

差分信令比單端信令少，它使用兩個(gè)互補(bǔ)電壓信號(hào)，以便傳輸一個(gè)信息信號(hào)。因此，一個(gè)信息信號(hào)需要一對(duì)導(dǎo)體;一個(gè)攜帶信號(hào)，另一個(gè)攜帶反轉(zhuǎn)信號(hào)。

單端與差分：通用時(shí)序圖

接收器通過(guò)檢測(cè)反相和非反相信號(hào)之間的電位差來(lái)提取信息。兩個(gè)電壓信號(hào)是“平衡的”，意味著它們具有相對(duì)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(shuō)差分信號(hào)（理想情況下）有零電流流過(guò)接地連接。

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

如果發(fā)送多個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)需要兩根導(dǎo)線，即使所有信號(hào)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(gè)信號(hào)將需要33個(gè)導(dǎo)體（與單個(gè)發(fā)送的17個(gè)導(dǎo)體相比）。這證明了差異信號(hào)傳導(dǎo)的明顯缺點(diǎn)。

差分信號(hào)拓?fù)?/p>

差分信號(hào)的好處

然而，差分信號(hào)的重要優(yōu)點(diǎn)是可以補(bǔ)償增加的導(dǎo)體數(shù)量。

無(wú)返回電流

由于我們（理想情況下）沒(méi)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(dòng)。但是，您需要小心，因?yàn)橹绷?a href="http://m.1cnz.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合差分信號(hào)（如USB，RS-485，CAN）通常需要共用接地電位，以確保信號(hào)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?dāng)_

如果從差分導(dǎo)體外部引入EMI（電磁干擾）或串?dāng)_（即附近信號(hào)產(chǎn)生的EMI），對(duì)于反相和非反相信號(hào)同等地加上。接收器響應(yīng)兩個(gè)信號(hào)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?dāng)_的幅度。

這就是差分信號(hào)對(duì)EMI，串?dāng)_或耦合到差分對(duì)的兩個(gè)信號(hào)的任何其他噪聲不太敏感的原因。

降低輸出EMI和串?dāng)_

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快速轉(zhuǎn)換（例如數(shù)字信號(hào)的上升沿和下降沿）可能會(huì)產(chǎn)生大量的EMI。單端和差分信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生EMI，但差分對(duì)中的兩個(gè)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生（理想情況下）幅度相等但極性相反的電磁場(chǎng)。這與保持兩個(gè)導(dǎo)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(gè)導(dǎo)體的發(fā)射相互抵消。

低壓操作

單端信號(hào)必須保持相對(duì)較高的電壓，以確保足夠的信噪比（SNR）。常見(jiàn)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(hào)可以使用更低的電壓并仍能保持足夠的SNR。此外，差分信號(hào)的SNR相對(duì)于等效的單端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增加了兩倍，因?yàn)椴罘纸邮掌鞯膭?dòng)態(tài)范圍是差分對(duì)中每個(gè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍的兩倍。

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

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(shí)

您是否想知道我們?nèi)绾未_定信號(hào)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(dāng)然，存在變化和容差，這會(huì)給邏輯高或邏輯低的問(wèn)題帶來(lái)額外的不確定性。

在差分信號(hào)中，確定邏輯狀態(tài)更為直接。如果非反相信號(hào)的電壓高于反相信號(hào)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(gè)狀態(tài)之間的過(guò)渡是非反相和反相信號(hào)相交的點(diǎn) - 即交叉點(diǎn)。

這是匹配導(dǎo)線或跡線長(zhǎng)度很重要的一個(gè)原因攜帶差分信號(hào)：為了獲得最大的定時(shí)精度，您希望交叉點(diǎn)與邏輯轉(zhuǎn)換完全對(duì)應(yīng)，但是當(dāng)該對(duì)中的兩個(gè)導(dǎo)體長(zhǎng)度不相等時(shí)，傳播延遲的差異將導(dǎo)致交叉點(diǎn)移位。/p>

應(yīng)用程序

目前有許多接口標(biāo)準(zhǔn)采用差分信號(hào)。其中包括：

LVDS（低壓差分信號(hào)）

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(hào)的理論優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在無(wú)數(shù)實(shí)際應(yīng)用中得到了實(shí)際應(yīng)用的證實(shí)。

路由差分跟蹤的基本PCB技術(shù)

最后，讓我們學(xué)習(xí)如何在PCB上路由差分走線的基礎(chǔ)知識(shí)。路由差分信號(hào)可能有點(diǎn)復(fù)雜，但有一些基本規(guī)則可以使過(guò)程更直接。

長(zhǎng)度和長(zhǎng)度匹配 - 保持平等！

差分信號(hào)（理想情況下）大小相等，極性相反。因此，在理想情況下，沒(méi)有凈返回電流將流過(guò)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(duì)中的兩條跡線需要相等的長(zhǎng)度。

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

蜿蜒軌跡的一個(gè)例子

寬度和間距 - 保持不變！

更接近差分導(dǎo)體越好，信號(hào)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(gè)信號(hào)中。因此，請(qǐng)盡量將它們放在一起。

您應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離相鄰信號(hào)路由差分對(duì)導(dǎo)線，以避免干擾。應(yīng)根據(jù)目標(biāo)阻抗選擇跡線之間的寬度和間距，并應(yīng)在跡線的整個(gè)長(zhǎng)度上保持不變。因此，如果可能的話，走線在PCB周圍移動(dòng)時(shí)應(yīng)保持平行。

阻抗 - 最小化變化！

設(shè)計(jì)具有差分信號(hào)的PCB時(shí)，最重要的事情之一是找出適合您應(yīng)用的目標(biāo)阻抗，然后再進(jìn)行布局因此你的差分對(duì)。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(dāng)你試圖避免改變差分對(duì)阻抗的任何事情時(shí)，請(qǐng)考慮其中的每一個(gè)。

不要在平面層上的銅區(qū)域之間的間隙上傳輸高速信號(hào)，因?yàn)檫@也會(huì)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(guò)分他們！

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

結(jié)論

差分信號(hào)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)字IC。

如今，差分信號(hào)是許多標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)技術(shù)。如果您實(shí)際設(shè)計(jì)的是帶差分信號(hào)的PCB，請(qǐng)記得查閱相關(guān)數(shù)據(jù)表和應(yīng)用筆記，如有必要，請(qǐng)?jiān)俅伍喿x本文！