基础知识：单端和差分信令

首先，我们必须先了解一些关于什么是单端信号的基础知识，然后才能了解差分信号及其特性。

单端信令

单端信令是将电信号从发送方传输到接收方的一种简单而常见的方式。 电信号通过电压（通常是变化的电压）传输，该电压以固定电位为参考，通常是称为“地”的 0 V 节点。

一根导体承载信号，一根导体承载公共参考电位。 与信号相关的电流从发送器流向接收器，并通过接地连接返回电源。 如果传输多个信号，则该电路将需要为每个信号提供一根导体，外加一个共享接地连接； 因此，例如，可以使用 16 根导线传输 17 个信号。

 

单端拓扑

差分信号

与单端信令相比，差分信令使用两个互补的电压信号来传输一个信息信号。 所以一个信息信号需要一对导体； 一个承载信号，另一个承载反相信号。

 

单端与差分：通用时序图

 

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”，这意味着它们相对于共模电压具有相同的幅度和相反的极性。 与这些电压相关的返回电流也是平衡的，因此相互抵消； 出于这个原因，我们可以说差分信号具有（理想情况下）零电流流过接地连接。

对于差分信号，发送器和接收器不一定共享一个公共接地参考。 然而，使用差分信号并不意味着发送器和接收器之间的地电位差异对电路的运行没有影响。

如果传输多个信号，则每个信号都需要两个导体，并且通常需要或至少有利于包括接地连接，即使所有信号都是差分信号。 因此，例如，传输 16 个信号将需要 33 个导体（相比之下，单端传输需要 17 个）。 这证明了差分信号传输的明显缺点。

 

差分信令拓扑

差分信号的好处

然而，差分信号的重要优势不仅可以弥补导体数量的增加。

无返回电流

由于我们（理想情况下）没有返回电流，因此接地参考变得不那么重要。 发送器和接收器的接地电位甚至可以不同，或者在某个可接受的范围内移动。 但是，您需要小心，因为直流耦合差分信号（例如 USB、RS-485、CAN）通常需要共享接地电位，以确保信号保持在接口的最大和最小允许共模电压范围内。

抗传入 EMI 和串扰

如果从差分导体外部引入 EMI（电磁干扰）或串扰（即附近信号产生的 EMI），它会同等地添加到反相和非反相信号中。 接收器响应两个信号之间的电压差而不是单端（即，接地参考）电压，因此接收器电路将大大降低干扰或串扰的幅度。

这就是为什么差分信号对 EMI、串扰或耦合到差分对的两个信​​号中的任何其他噪声不太敏感的原因。

减少输出 EMI 和串扰

快速转换，例如数字信号的上升沿和下降沿，会产生大量的 EMI。 单端和差分信号都会产生 EMI，但差分对中的两个信号会产生（理想情况下）幅度相等但极性相反的电磁场。 这与在两个导体之间保持紧密接近的技术（例如使用双绞线电缆）相结合，可确保来自两个导体的辐射在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 (SNR)。 常见的单端接口电压为 3.3 V 和 5 V。由于它们改进了抗噪声能力，差分信号可以使用较低的电压并仍然保持足够的 SNR。 此外，相对于等效单端实现，差分信号的 SNR 会自动增加两倍，因为差分接收器的动态范围是差分对内每个信号的动态范围的两倍。

使用较低的信号电压成功传输数据的能力带来了一些重要的好处：

• 可以使用较低的电源电压。
• 较小的电压转换
  • 减少辐射 EMI，
  • 降低功耗，以及
  • 允许更高的工作频率。

高或低状态和精确定时

您有没有想过我们如何准确地确定信号是处于逻辑高电平还是逻辑低电平状态？ 在单端系统中，我们必须考虑电源电压、接收器电路的阈值特性，或许还有参考电压的值。 当然，还有一些变化和公差，这给逻辑高或逻辑低的问题带来了额外的不确定性。

在差分信号中，确定逻辑状态更为直接。 如果同相信号的电压高于反相信号的电压，则逻辑高。 如果同相电压低于反相电压，则逻辑低。 并且这两种状态之间的转换是非反相和反相信号相交的点——即交叉点。

这就是匹配传输差分信号的导线或走线的长度很重要的原因之一：为了获得最大的时序精度，您希望交叉点与逻辑转换完全对应，但是当线对中的两个导体不相等时长度，传播延迟的差异将导致交叉点移动。

应用领域

目前有许多采用差分信号的接口标准。 这些包括以下内容：

• LVDS（低压差分信号）
• CML（电流模式逻辑）
• RS485
• RS422
• 以太网(EtherNet)
• CAN
• USB
• 高品质平衡音频

显然，差分信号的理论优势已在无数实际应用中得到实际应用的证实。

布线差分走线的基本 PCB 技术

最后，让我们学习如何在 PCB 上布线差分走线的基础知识。 路由差分信号可能有点复杂，但有一些基本规则可以使过程更加简单。

长度和长度匹配——保持相等！

差分信号（理想情况下）大小相等，极性相反。 因此，在理想情况下，没有净返回电流流过地。 没有返回电流是一件好事，因此我们希望一切都尽可能理想，这意味着我们需要差分对中的两条迹线具有相等的长度。

信号的上升/下降时间越长（不要与信号的频率混淆），就越需要确保走线具有相同的长度。 您的布局程序可能包含一项功能，可帮助您微调差分对的走线长度。 如果你很难达到相同的长度，你可以使用“曲折”技术。

 

曲折轨迹的示例

宽度和间距——保持不变！

差分导体越接近，信号的耦合就越好。 生成的 EMI 将更有效地抵消，接收到的 EMI 将更均匀地耦合到两个信号中。 所以试着把它们拉得很近。

您应该将差分对导体尽可能远离相邻信号，以避免干扰。 应根据目标阻抗选择走线的宽度和间距，并应在整个走线长度上保持恒定。 因此，如果可能，走线在 PCB 上移动时应保持平行。

阻抗——最小化变化！

在设计带有差分信号的 PCB 时，最重要的事情之一是找出应用的目标阻抗，然后相应地布置差分对。 此外，保持阻抗变化尽可能小。

差分线路的阻抗取决于诸如走线的宽度、走线的耦合、铜的厚度以及 PCB 的材料和层堆叠等因素。 当您尝试避免任何会改变差分对阻抗的事情时，请考虑其中的每一个。

不要在平面层上的铜区域之间的间隙上路由高速信号，因为这也会影响您的阻抗。 尽量避免接地平面的不连续性。

布局建议 - 阅读、分析和思考它们！

最后但并非最不重要的一点是，在布线差分走线时，您必须做一件非常重要的事情：获取发送或接收差分信号的芯片的数据表和/或应用说明，通读布局建议，并分析他们密切。 通过这种方式，您可以在特定设计的约束下实现最佳布局。

结论

差分信号使我们能够以更低的电压、良好的 SNR、更高的抗噪性和更高的数据速率传输信息。 另一方面，导体数量增加，系统将需要专门的发射器和接收器，而不是标准的数字 IC。

如今，差分信号已成为许多标准的一部分，包括 LVDS、USB、CAN、RS-485 和以太网，因此我们都应该（至少）熟悉这项技术。 如果您实际上是在设计带有差分信号的 PCB，请记得查阅相关的数据表和应用笔记，如有必要，请再次阅读本文！

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