差分信号的原理和应用
差分信号的原理和应用
差分信号是现代电子系统中广泛使用的一种信号传输方式，相比传统的单端信号，差分信号具有诸多优势，如抗干扰能力强、噪声容限高、功耗低等。本文将从基础知识出发，详细介绍差分信号的原理、优势及其在PCB布线中的应用技术。
单端信号与差分信号基础
单端信号
单端信号是一种简单常见的电信号传输方式，从发送器传输到接收器。电信号通过电压传输，这个电压以固定电位为参考，通常是被称为"地"的0伏节点。
一根导线携带信号，另一根导线提供共同的参考电位。信号相关的电流从发送器流向接收器，然后通过地线连接返回电源。如果传输多个信号，电路需要为每个信号提供一根导线，再加一个共享的地线连接；例如，传输16个信号需要17根导线。
差分信号
差分信号不如单端信号常见，它使用两个互补的电压信号来传输一个信息信号。因此，一个信息信号需要一对导线；一根传输信号，另一根传输反相信号。
接收器通过检测反相和非反相信号之间的电位差来提取信息。这两个电压信号是"平衡的"，意味着它们相对于共模电压具有相等的幅度和相反的极性。与这些电压相关的回流电流也是平衡的，因此相互抵消；因此，我们可以说差分信号在地线连接中理想情况下没有电流流动。
使用差分信号时，发送器和接收器不一定共享一个公共地参考。如果传输多个信号，每个信号需要两根导线，而且通常有必要包含一个地线连接，即使所有信号都是差分的。因此，例如，传输16个信号将需要33根导线（相比之下，单端传输需要17根）。这显示了差分信号的一个明显缺点。
差分信号的优势
然而，差分信号有重要的优点，可以弥补增加的导线数量。
无回流电流
由于（理想情况下）没有回流电流，地参考变得不那么重要。发送器和接收器的地电位甚至可以不同，或在一定可接受范围内变化。
抗外部电磁干扰和串扰
如果外部电磁干扰或串扰（即附近信号产生的电磁干扰）进入差分导线，它会平等地加到反相和非反相信号上。接收器响应两个信号之间的电压差，而不是单端（即参考地）电压，因此接收电路会大大减小干扰或串扰的幅度。
这就是为什么差分信号对电磁干扰、串扰或任何耦合到差分对两个信号的噪声不敏感的原因。
减少外发电磁干扰和串扰
快速跳变，如数字信号的上升和下降沿，会产生大量电磁干扰。单端和差分信号都会产生电磁干扰，但差分对中的两个信号会产生幅度相等但极性相反的电磁场（理想情况下）。这一点，加上保持两个导线紧密靠近的技术（如使用双绞线电缆），确保两个导体的辐射会很大程度上相互抵消。
低电压操作
单端信号必须保持相对较高的电压，以确保足够的信噪比。常见的单端接口电压是3.3伏和5伏。由于差分信号抗噪声能力更强，可以使用更低的电压并仍然保持足够的信噪比。此外，相比等效的单端实现，差分信号的信噪比自动提高了两倍，因为差分接收器的动态范围是差分对中每个信号动态范围的两倍。
成功使用较低信号电压传输数据有几个重要好处：
- 可以使用更低的供电电压
- 更小的电压跳变
- 减少辐射电磁干扰
- 降低功耗
- 允许更高的工作频率
高低状态判断和精确定时
你有没有想过我们如何确切判断信号处于逻辑高或逻辑低状态？在单端系统中，我们必须考虑电源电压、接收电路的阈值特性，可能还有参考电压值。当然还有变化和容差，这给逻辑高或逻辑低的判断带来额外的不确定性。
在差分信号中，确定逻辑状态更直接。如果非反相信号电压高于反相信号电压，则为逻辑高。如果非反相电压低于反相电压，则为逻辑低。两种状态之间的转换点是非反相和反相信号相交的点——即交叉点。
这是为什么差分信号的布线长度匹配很重要的原因之一：为了最大的定时精度，你希望交叉点与逻辑转换点精确对应，但当差分对中两个导线长度不等时，传播延迟的差异会导致交叉点移位。
布线差分走线的基本PCB技术
最后，让我们学习PCB上布线差分走线的基本知识。布线差分信号可能有点复杂，但有一些基本规则使过程更简单。
长度和长度匹配——保持相等！
差分信号（理想情况下）幅度相等且极性相反。因此，理想情况下，没有净回流电流通过地线流动。回流电流的缺失是件好事，所以我们希望尽可能保持理想状态，这意味着我们需要确保差分对中两条走线长度相等。
宽度和间距——保持恒定！
差分导线越靠近，信号耦合越好。产生的电磁干扰会更有效地相互抵消，接收到的电磁干扰会更平均地耦合到两个信号上。所以尽量让它们非常靠近。
应该尽可能将差分对导线与相邻信号远离，以避免干扰。走线宽度和间距应根据目标阻抗选择，并且应在走线的整个长度上保持恒定。因此，如果可能，走线在PCB上绕行时应保持平行。
阻抗——最小化变化！
设计带有差分信号的PCB时最重要的事情之一是确定应用的目标阻抗，然后据此布局差分对。此外，尽量减小阻抗变化。
差分线路的阻抗取决于多种因素，如走线宽度、走线间的耦合、铜厚度以及PCB的材料和层叠结构。考虑所有这些因素，尽量避免任何改变差分对阻抗的因素。
不要在平面层铜区域之间的间隙上布线高速信号，因为这也会影响阻抗。尽量避免地平面中的不连续性。
差分信号让我们能够以较低电压、良好信噪比、提高的抗噪能力和更高的数据速率传输信息。另一方面，导线数量增加，系统将需要专门的发送器和接收器。