差分信號(hào)的傳輸與種類介紹

差分信號(hào)的傳輸需要一對傳輸線來實(shí)現(xiàn)，那么這對傳輸線又叫做差分對。能夠用單端傳輸線組成差分對的兩條傳輸線。和單端傳輸線相類似，差分對傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見的幾種截面幾何外形。

隨著信號(hào)速率的提高，差分互連得到越來越多的應(yīng)用。實(shí)際上差分對是具有耦合的傳輸線，其主要用的是差分信號(hào)的特征，用差分對來實(shí)現(xiàn)。差分信號(hào)利用兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)兩條傳輸線。其中一根攜帶信號(hào)，另一根攜帶它的互補(bǔ)信號(hào)，兩條傳輸線上面的壓差就是需要傳輸?shù)?a target="_blank">信息。

在差分信號(hào)的傳輸過程中，主要是以兩條傳輸線為傳輸載體，差分驅(qū)動(dòng)器輸出的是邊緣能夠?qū)R的兩個(gè)信號(hào)，但是正好方向相反，如下圖所示。兩個(gè)高速信號(hào)分別傳輸，接收端在信號(hào)抵達(dá)接收器時(shí)對兩個(gè)信號(hào)作差分檢測，得到的差值就是差分信號(hào)。差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)后會(huì)帶來EMI和眼圖等問題，上升沿速度越快，其對差分長度匹配要求越高.

差分訊號(hào)示意圖

在接收端，線 1 的電壓是V1，線 2 的電壓是V2 。通過放大器可以得到 1 和 2之間的壓差，由此可以恢復(fù)差分信號(hào)：

在上面的式子中，Vdiff —差分信號(hào)

V1 —線 1 相對于共用返回路徑的信號(hào)電壓

V2 —線 2 相對于共用返回路徑的信號(hào)電壓

除了差分信號(hào)，共模信號(hào)也是電路中存在的[40]，其可以用兩條線上的平均電 壓來表示，定義為：

在上面的式子中，Vcom—共模信號(hào)。

理想狀態(tài)，共模信號(hào)被認(rèn)為是沒有變化的。共模信號(hào)由于不帶有信息，所以不影響信號(hào)完整性和系統(tǒng)性能。所以接收端要想準(zhǔn)確的接收差分信號(hào)，必須要有共模抑制的功能。除此之外，在一定條件下，差分傳輸?shù)目垢蓴_能力好于單端信號(hào)，差分和共模信號(hào)分量都是屬于高速信號(hào)，如下圖所示，差分信號(hào)在-0.25 到 +0.25 之間。因此傳輸線上的差分信號(hào)電壓就是 0.5V。

差分信號(hào)分量以及共模信號(hào)分量

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因?yàn)閷蓚€(gè)單端信號(hào)進(jìn)行差分檢測的時(shí)候，其噪聲有可能會(huì)抵消。只要外界對差分對中兩個(gè)單端信號(hào)上的干擾基本一致，就不會(huì)影響差分信號(hào)的傳輸。所以無論采取何種走線方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線周圍環(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號(hào)干擾。

理想情況下，差分信號(hào)是正負(fù)對稱的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線的正負(fù)傳輸線長度不等，造成傳輸時(shí)間不一致，實(shí)際上就是信號(hào)在時(shí)間軸上的不對稱，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時(shí)的正負(fù)波形不能嚴(yán)格對稱，差分電路中的正負(fù)電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動(dòng)。如果研究過EMI的人都知道，共模輻射是最難對付的。

圖1

圖2

影響信號(hào)完整性的因素

有很多方面的因素都會(huì)影響信號(hào)的完整性。就像信號(hào)的上升時(shí)間縮短、不同的信號(hào)通道之間時(shí)延不一樣、頻率發(fā)生變化、互聯(lián)通道沒有達(dá)到理想狀態(tài)以及外部環(huán)境發(fā)生變化等都會(huì)影響信號(hào)完整性。然而本質(zhì)原因，是因?yàn)樾盘?hào)的上升時(shí)間縮短。這樣的話，隨著上升時(shí)間越來越短，傳輸信號(hào)中不可避免的就會(huì)產(chǎn)生更多的高頻分量，由于高頻分量與通道之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，這樣就有可能給信號(hào)帶來許多不可預(yù)知的畸變。

幾乎全部的信號(hào)完整性問題能夠分成下面 3 種問題的影響：時(shí)序、噪聲、電磁干擾。

在時(shí)序內(nèi)對信號(hào)完整性進(jìn)行研究其實(shí)就是一個(gè)比較復(fù)雜的領(lǐng)域。一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，肯定會(huì)發(fā)生一定量的操作，所以需要在時(shí)間預(yù)算中劃分出一小段時(shí)間并把這些時(shí)間分配給各種不同的操作。雖然時(shí)序是影響信號(hào)完整性的一個(gè)因素，但是我們一般主要是對噪聲部分的問題進(jìn)行的研究。

噪聲部分又可以分為阻抗不連續(xù)、耦合、串?dāng)_、反射、振鈴等等，這些因素之間還會(huì)相互影響相互制約，所以對信號(hào)完整性的研究是一個(gè)綜合平衡各種因素的過程。

差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號(hào)轉(zhuǎn)共模信號(hào)后會(huì)帶來EMI和眼圖等問題。上升沿速度越快，對差分長度匹配要求越高。

審核編輯：劉清