探索單端和差分信號之間的差異

2021-05-07

探索單端和差分信號之間的差異

低速數字接口，一些中等高速組件以及RF信號線將使用單端信號。

相反，諸如網絡協議和計算機外圍設備接口之類的高速數字接口則使用差分信令。

差分信號的長度匹配并且受到阻抗控制，以確保在接收器處消除共模噪聲。

像這樣的復雜板可能會使用差分信號在組件之間發送數據

在過去的幾天里，如果您使用的電話插在墻上，您可能會聽到其他人的談話滲入您的電話線。今天，我們在使用差分對的高速PCB設計中解決了這個以及其他信號完整性問題。并不是所有組件都將使用差分信令，而是差分對是高速數字信令協議使用的主要路由方式，包括標準計算接口（如USB）和網絡接口（如以太網）。

單端信號和差分信號之間的差異在物理布局級別上很簡單，但在信號級別以及驅動器/接收器組件功能方面卻可能很復雜。如果您是第一次使用差分信令，請閱讀我們的指南以了解有關此信令方法的更多信息。掌握了差分對路由之后，您將具備使用一些最高速度的計算接口進行設計所需的基礎知識。

什么是單端和差分信號？

單端和差分信令是在組件之間傳輸數據的兩種方法。如今，數字接口已標準化為使用以下一種信令方法：低速協議使用單端信令，而高速協議使用差分信令，盡管某些低速協議仍使用差分信令。這兩種類型的信令和路由可以與各種拓撲一起使用。

單端信號很容易理解：HIGH電平升至邏輯電平（5 V，3.3 V等），而LOW電平則定義為零。差分對是不同的；差分對的每一側都承載相同幅度的信號，但極性相反。在接收器處，通過獲取每條線上信號電平之間的差異來恢復信號。

接收器組件的差分信號恢復

成功的讀出和信號恢復要求線對的長度在一定的小公差范圍內精確匹配。這樣做的好處是，如上概念圖所示，讀取信號時將消除共模噪聲。這要求遵循所有差分信號的一些基本路由要求。

單端和差分對路由

下表顯示了差分對布線和布局的一般要求。還顯示了單端信令要求以進行比較。

差分對的信號讀取和恢復過程說明了這樣的事實，即兩對信號攜帶相等且相反極性的信號。這種簡單的想法和差分對中的并行布線解決了高速PCB設計中的一些重要信號完整性問題。

差分信號可以解決什么

如果您查看高速信令標準，將會發現主要使用差分對路由。差分對很有用，主要有兩個原因：

共模噪聲。差分對在接收器中被讀出為兩對信號電平之間的差異。換句話說，任何共模噪聲將在接收機處減去，并且不會干擾接收到的信號。這包括可能從單端信號接收到的共模串擾。我們將在下面更詳細地說明這一點。

缺乏一致的參考。差分對不需要統一的接地層即可提供受控的差分阻抗。而是，兩對彼此引用。有趣的是，如果計算差分對的Z參數，則會發現自阻抗和耦合阻抗都發散到無窮大，但是兩者之間的差是一個常數。

下圖顯示了低壓差分信號（LVDS）中使用的驅動器和接收器級。在此，線對周圍沒有接地層。因為信號具有相同的幅度和相反的極性，所以電場在差分對的每一側終止。這個特定的圖表很不錯，因為它說明了在類似UTP電纜上的以太網之類的標準（例如，Cat5）中看到的情況，該情況在互連的重要部分可能沒有任何接地。

LVDS差分通道示例

在此示例中，使用LVDS時，接收器端的阻抗為100 Ohm，該阻抗等于線對的差分阻抗。這樣可以消除接收器端差分信號中的反射。由于差分接收器具有高輸入阻抗，因此將端接器與輸入并聯放置，將注入的電流轉換為可以在接收器處恢復的電壓。

差分信號無法解決的問題

重要的是要注意，差分對并不是解決所有信號完整性問題的靈丹妙藥。差分對可能會遇到一些與單端走線相同的信號完整性問題，但是它們以不同的方式表現出來。這是差分對所遇到的廣泛的信號完整性問題。

差分模式噪聲和差分串擾。與普遍的看法相反，差分對產生串擾，并且容易受到串擾的影響。特別是，在兩個差分對之間會產生差分串擾，這將干擾接收器的信號恢復。

EMI接收。差分信號不受所有EMI的影響是另一個神話。這是不正確的。差分信號仍然可以從外部源接收輻射EMI，但是只有差分模式噪聲會影響接收器。

EMI輻射。與前一點相似，差分對確實會發出電磁輻射，該電磁輻射可以作為其他互連中的共模噪聲接收。但是，成對的每條跡線的場極性相反，因此，當成對的密度較高時，發射的輻射會更弱。

信號失真。當信號沿互連線傳播時，會遭受損耗和色散，這兩者都會造成信號失真。就像單端信號一樣，差分信號也會遭受信號失真。

在兩種信令中，靠近走線的參考平面都可以解決一個問題，它可以屏蔽EMI。通過允許磁場線終止于參考平面，它還為走線周圍的一些返回電流提供了一個位置。參考平面還定義了差分對以及單端信號中每個跡線的單端阻抗（特性阻抗）。布線工具可以幫助您在差分對中實施長度匹配，同時在布線PCB布局時保持受控的阻抗。