差分信號(hào)的傳輸需要一對(duì)傳輸線來實(shí)現(xiàn)，那么這對(duì)傳輸線又叫做差分對(duì)。能夠用單端傳輸線組成差分對(duì)的兩條傳輸線。和單端傳輸線相類似，差分對(duì)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(duì)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(duì)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)男畔�。在差分信�?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(duì)兩個(gè)信號(hào)作差分檢測(cè)，得到的差值就是差分信號(hào)。差分電路的好處是在于對(duì)稱，包括傳輸線的長度對(duì)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(duì)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(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓

V2 —線 2 相對(duì)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?duì)兩個(gè)單端信號(hào)進(jìn)行差分檢測(cè)的時(shí)候，其噪聲有可能會(huì)抵消。只要外界對(duì)差分對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)付的。

圖1

圖2

為什么高速接口都用差分訊號(hào)

1. 核心原因：卓越的抗噪聲能力（共模噪聲抑制）

這是差分信號(hào)最強(qiáng)大、最核心的優(yōu)勢(shì)。

• 單端信號(hào)的困境：

• • 單根信號(hào)線（Single-ended）以地為參考。信號(hào)值（0或1）是信號(hào)線與地之間的電壓差。一根信號(hào)線+地線構(gòu)成回路，信號(hào)值=導(dǎo)線對(duì)地電壓（如3.3V=邏輯“1”）。致命傷：兩地電位差直接疊加信號(hào)（如A點(diǎn)發(fā)送1V，B點(diǎn)地電位高0.2V → 接收0.8V）。

  • 當(dāng)信號(hào)線在PCB上或電纜中長距離傳輸時(shí)，它就像一根天線，會(huì)很容易拾取外部的電磁干擾（EMI），例如來自電源、射頻設(shè)備或其他信號(hào)線的噪聲。

  • 這些噪聲會(huì)直接疊加在原始信號(hào)上。接收端無法區(qū)分哪部分是原始信號(hào)，哪部分是噪聲，從而導(dǎo)致誤判，產(chǎn)生錯(cuò)誤。

• 差分信號(hào)的工作原理：

• • 電壓差 = (D+) - (D-) = +V - (-V) = +2V （邏輯 ‘1’）

  • 電壓差 = (D+) - (D-) = -V - (+V) = -2V （邏輯 ‘0’）

  • 發(fā)送 ‘1’：(D+) = +V, (D-) = -V

  • 發(fā)送 ‘0’：(D+) = -V, (D-) = +V

  • 差分信號(hào)使用兩根線（D+和D-）來傳輸一個(gè)信號(hào)。這兩根線緊密地布在一起（通常并行且等長）。雙線（如D+/D-）傳輸?shù)确聪嘈盘?hào)，接收端僅識(shí)別電壓差（如D+1.8V、D-1.5V → 邏輯“1”）。抗干擾核心：雙線噪聲同步抵消，地電位波動(dòng)無影響。

  • 發(fā)送端產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等、相位相反的信號(hào)。

  • 接收端不關(guān)心對(duì)地的電壓，而是檢測(cè)兩根線之間的電壓差。

• 如何抑制噪聲？

• • 接收端收到的信號(hào)變?yōu)椋?D+ + ΔV) 和 (D- + ΔV)

  • 接收端計(jì)算的電壓差 = (D+ + ΔV) - (D- + ΔV) = D+ - D-

  • 當(dāng)外部噪聲（例如一個(gè)電磁脈沖）來襲時(shí)，由于兩根線緊密相鄰，它們會(huì)同時(shí)、等量地被影響到。這種同時(shí)影響兩根線的噪聲稱為共模噪聲。

  • 假設(shè)一個(gè)噪聲ΔV同時(shí)耦合到兩根線上：

  • 看，噪聲ΔV被完美地減掉了！接收端只看到了原始的差值，完美消除了共模噪聲的影響。

在高速系統(tǒng)中，地平面并不是一個(gè)完美的、絕對(duì)的零電位。大電流的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地平面不同點(diǎn)之間存在電壓差（地彈，Ground Bounce）。

• 對(duì)于單端信號(hào)：它的邏輯電平嚴(yán)重依賴于一個(gè)“干凈”的地作為參考。如果發(fā)送端和接收端的地電位不一致（存在ΔGND），接收端看到的電壓就會(huì)是信號(hào)電壓 + ΔGND，這極易導(dǎo)致錯(cuò)誤。

• 對(duì)于差分信號(hào)：它的邏輯判斷基于兩根信號(hào)線自身的差值，完全不依賴地平面作為參考。即使發(fā)送端和接收端的地電位有差異，也不會(huì)影響 (D+) - (D-) 的結(jié)果。這使得差分信號(hào)在復(fù)雜和 noisy 的系統(tǒng)中極其穩(wěn)定。

• 為了表示同樣的電壓差（例如2V），單端信號(hào)可能需要從0V切換到2V（擺幅2V）。

• 差分信號(hào)每根線只需要從-1V切換到+1V（擺幅也是2V，但圍繞0V變化）。

• 更低的電壓擺幅意味著：

1. 更低的功耗：P = CV2f，功耗與電壓的平方成正比。電壓擺幅減半，功耗可降至原來的四分之一。

2. 更快的切換速度：對(duì)電容充放電所需的電荷更少，信號(hào)可以更快地上升和下降，從而支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。這對(duì)于GHz級(jí)別的高速接口至關(guān)重要。

3. 更低的電磁輻射（EMI）：雖然兩根線都會(huì)輻射，但因?yàn)樗鼈兊碾娏鞔笮∠嗟�、方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)相互抵消很大一部分，從而減少了整體的電磁輻射。當(dāng)然，為了最佳效果，需要緊密耦合布線。

差分信號(hào)的交叉點(diǎn)（D+和D-相交的點(diǎn)）非常明確和陡峭，受噪聲和電源變化的影響較小。這使得接收端能更精準(zhǔn)地判斷信號(hào)跳變的時(shí)刻，從而降低時(shí)序抖動(dòng)（Jitter），提高時(shí)序裕量，這對(duì)于高速數(shù)據(jù)的同步至關(guān)重要。

差分信號(hào)的主流接口陣容，接口標(biāo)準(zhǔn)直接鎖定信號(hào)類型，90%場(chǎng)景不由工程師自由選擇：

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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)稱，包括傳輸線的長度對(duì)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(duì)差分長度匹配要求越高。

加入高頻高速參數(shù)討論群“加客服申請(qǐng)

線束行業(yè)參考學(xué)習(xí)資訊