高速差分訊號傳輸理論

差分信號的傳輸需要一對傳輸線來實現(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。

隨著信號速率的提高，差分互連得到越來越多的應用。實際上差分對是具有耦合的傳輸線，其主要用的是差分信號的特征，用差分對來實現(xiàn)。差分信號利用兩個輸出驅(qū)動來驅(qū)動兩條傳輸線。其中一根攜帶信號，另一根攜帶它的互補信號，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)動器輸出的是邊緣能夠?qū)R的兩個信號，但是正好方向相反，如下圖所示。兩個高速信號分別傳輸，接收端在信號抵達接收器時對兩個信號作差分檢測，得到的差值就是差分信號。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，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來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，由此可以恢復差分信號：

在上面的式子中，Vdiff —差分信號

V1 —線 1 相對于共用返回路徑的信號電壓

V2 —線 2 相對于共用返回路徑的信號電壓

除了差分信號，共模信號也是電路中存在的[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。

理想狀態(tài)，共模信號被認為是沒有變化的。共模信號由于不帶有信息，所以不影響信號完整性和系統(tǒng)性能。所以接收端要想準確的接收差分信號，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

，差分和共模信號分量都是屬于高速信號，如下圖所示，差分信號在-0.25 到 +0.25 之間。因此傳輸線上的差分信號電壓就是 0.5V。

差分信號分量以及共模信號分量

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因為對兩個單端信號進行差分檢測的時候，其噪聲有可能會抵消。只要外界對差分對中兩個單端信號上的干擾基本一致，就不會影響差分信號的傳輸。所以無論采取何種走線方式，關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干擾。理想情況下，差分信號是正負對稱的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線的正負傳輸線長度不等，造成傳輸時間不一致，實際上就是信號在時間軸上的不對稱，在終端負載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時的正負波形不能嚴格對稱，差分電路中的正負電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動。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

影響信號完整性的因素

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

幾乎全部的信號完整性問題能夠分成下面 3 種問題的影響：時序、噪聲、電磁干擾。

在時序內(nèi)對信號完整性進行研究其實就是一個比較復雜的領域。一個時鐘內(nèi)，肯定會發(fā)生一定量的操作，所以需要在時間預算中劃分出一小段時間并把這些時間分配給各種不同的操作。雖然時序是影響信號完整性的一個因素，但是我們一般主要是對噪聲部分的問題進行的研究。

噪聲部分又可以分為阻抗不連續(xù)、耦合、串擾、反射、振鈴等等，這些因素之間還會相互影響相互制約，所以對信號完整性的研究是一個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，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來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。