差分信號是什么意思?使用差分信號的好處有哪些？通俗易懂解讀差分信號

差分線是 PCB 設(shè)計(jì)中非常重要的一部分信號線，因此我們對差分信號的處理要求相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)。

（差分信號原理圖示）

差分信號與單端信號的區(qū)別

單端信號指的是用一個線傳輸?shù)男盘?，參考點(diǎn)為大地。換句話說，單端信號就是在一跟導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c大地之間的電平差。那么當(dāng)你把信號從 A 點(diǎn)傳遞到 B 點(diǎn)的時候，有一個前提就是 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢應(yīng)該大致相等。

（單端信號輸出示意圖）

差分信號指的是用兩根線傳輸?shù)男盘?，傳輸?shù)氖莾筛盘栔g的電平差。當(dāng)你把信號從 A 點(diǎn)傳遞到 B 點(diǎn)時，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢可以等同也可以不等同，但是 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢差有一個范圍，超過這個范圍區(qū)間就會出問題。

（差分信號輸出示意圖）

差分信號的原理如下：

一個差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都為差分，因?yàn)橐粋€電壓只能是相對于另一個電壓而言。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)地被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)把大地作為電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端信號。我們使用該術(shù)語是因?yàn)樾盘柺怯脝蝹€導(dǎo)體上的電壓來表示。

我們用一個方法對差分信號做一下比喻，差分信號就好比是蹺蹺板上的兩個人，當(dāng)一個人被蹺上去的時候，另一個人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個人都是同一水平。

圖1 用蹺蹺板表示的差分信號

應(yīng)用到電學(xué)上，這兩個蹺蹺板用一對標(biāo)識為V+和V-的導(dǎo)線來表示。當(dāng)V+>V-時，信號定義成正極信號，當(dāng)V+

圖2 差分信號波形和單端等價

如圖2所示，差分對圍繞擺動的平均電壓設(shè)置成2.5V。當(dāng)該對的每個信號都限制成0-5V振幅時，偏移該差分對會提供一個信號擺動的最大范圍。當(dāng)用單一5V電源操作時，經(jīng)常就會出現(xiàn)這種情況。

當(dāng)不采用單端信號而采取差分信號方案時，我們用一對導(dǎo)線來替代單根導(dǎo)線，增加了任何相關(guān)接口電路的復(fù)雜性。那么差分信號提供了什么樣的有形益處，才能證明復(fù)雜性和成本的增加是值得的呢？

差分信號的第一個好處是，因?yàn)槟阍诳刂?基準(zhǔn)'電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準(zhǔn)，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)'地'的一致性。信號源和信號接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大程度上與'地'的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。

差分信號的第二個好處是，它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的 EMI 還要少。

差分信號提供的第三個好處是，在一個單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理'雙極'信號。為了處理單端，單電源系統(tǒng)的雙極信號，我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處（通常是中點(diǎn)）建立一個虛地。

用高于虛地的電壓來表示正極信號，低于虛地的電壓來表示負(fù)極信號。接下來，必須把虛地正確地分布到整個系統(tǒng)里。而對于差分信號，不需要這樣一個虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號有一個高保真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。

剛才提到了單端信號，其實(shí)，信號通常以三種模式沿電路傳播：單端、差?；蚬材！?/p>

單模是我們最熟悉的。它包括介于驅(qū)動器與接收器之間的單根導(dǎo)線或走線，信號沿走線傳播并從地返回。

這里最難理解的是共模信號。它既可以包括單端走線也可以包括兩個(可能更多)差分走線。同樣的信號沿走線以及返回路徑(地)或者沿差分對中的兩根走線流動。大部分人往往對共模信號不熟悉，因?yàn)槲覀冏约簭膩聿粫室猱a(chǎn)生它們。它們通常是由從其它(鄰近或外部)源耦合進(jìn)電路的噪聲引起的。一般來講，結(jié)果最好情況是中性的，最壞情況是具有破壞性的。共模信號能夠產(chǎn)生干擾電路正常運(yùn)行的噪聲，并且是常見的EMI 問題的來源。

差分信號相比單端信號有一個顯著的缺點(diǎn)：需要兩根走線而不是一根，或者兩倍的電路板面積。

但是差分信號有幾個優(yōu)點(diǎn)：

如果沒有通過地的返回信號，地回路的連續(xù)性相對就變得不重要了。

因此，假如我們有一個模擬信號通過差分對連接到數(shù)字器件，就無需擔(dān)心跨越電源邊界，平面不連續(xù)等等問題。差分器件的電源分割也更容易處理。差分電路在低壓信號的應(yīng)用中是非常有益的。如果信號電平非常低，或者如果信噪比是個問題，那么差分信號可以有效地倍增信號電平(+v-(-v)=2v)。差分信號和差分放大器通常用于信號電平非常低的系統(tǒng)的輸入級。

圖3 邏輯電平在差分信號交叉點(diǎn)的精確位置改變狀態(tài)

差分接收器往往對輸入信號電平的差敏感，但是常常被設(shè)計(jì)為對輸入的共模偏移不敏感。因此在強(qiáng)噪聲環(huán)境中差分信號往往比單端信號有著更好的性能。

相比單端信號(以一個不太精確的受電路板其他位置的噪聲的干擾的信號為參考)，差分信號(彼此互為參考)的翻轉(zhuǎn)時序可以更精確地設(shè)定。差分對的交叉點(diǎn)定義得非常精確(見圖3)。單端信號位于邏輯1和邏輯0之間的交叉點(diǎn)受制于(舉例)噪聲、噪聲門限以及門限檢測問題等等。