差分信号与单端信号

关键词：差分信号、共模干扰、差模干扰

一．什么是差分信号

严格意义上来说，所有的电压信号都是“差分”的，因为一个电压总是相对另一个电压而言。但大部分情况下，我们会把“地”作为电压基准点，从而测得另一个电压值，这种信号被称为单端信号。由于是和“地”做比较，单端信号在PCB上的表现通常只有一根导线。
　　差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相差180度。在这两根线上传输的信号就是差分信号。差分信号在PCB上的表现会有两根导线。

图源：简书

差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异，又称差模信号，是相对共模信号而言的。

图中的系统描述的是A、B两个模块间通过1、2两根信号线传递信号，共模就是指1、2与GND的关系而差模指的是1和2之间的关系。简而言之共模关注的是信号线与地线间的关系而差模关注的是信号线间的关系。

共模信号和差模信号这两个概念多用于差分电路（如差分放大电路），假设1的电压为V₁，2的电压为V₂，则1和2的共模信号为，1的差模信号为(V₁-V₂)/2，2的差模信号为(V₂-V₁)/2，每个信号的共模信号与差模信号之和为自身电压。

二．共模干扰和差模干扰

来源一般有两种：1.传导干扰（传导噪声）：主要就是地端电位不稳定带来干扰，地端电位如果发生抖动，那地端与信号线间的电压就会不稳定也就是共模电压不稳定，即产生了共模干扰。若两根线上的共模干扰电压不一致，则会使这两根信号线的差值发生抖动，引起差模干扰。常将信号线做成双绞线（差分输入）的原因就是让两根信号线的空间位置相对接近，使它们的共模干扰电压一致从而尽可能的消除差模干扰；2.空间耦合干扰（辐射噪声）：空间中变化的电磁场在信号线上产生电压带来共模和差模干扰。

三．差分信号的优缺点

优点：1.抗干扰能力强：干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为0，即，噪声对信号的逻辑电平不产生影响；2.能有效抑制电磁干扰（EMI）：由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消，因此对外界的电磁干扰也小；3.时序定位准确：差分信号的接收端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点作为判断逻辑0/1跳变点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

缺点：若电路板的面积非常紧张，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面，而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小，以至于只能穿过一根走线的情况下。

四．差分信号布线要求

在PCB电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

1. 等长：等长是指两条线的长度要尽量一样长，是为了保证两个差分信号能够同时到达；

2. 等宽、等距：等宽是指两条信号的走线宽度需要保持一致，等距是指两条线之间的间距要保持不变，保持平行；

3. 差分线彼此靠近，靠越近，回路面积越小，走线下面感应电流的回路面积也越小，对EMI控制也好；

4. 差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会引入差模噪声。

五．常见差分信号

1.USB：通用串行总线（Universal Serial Bus，USB），是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。USB协议定义由两根差分信号传输数字信号，阻抗为90欧姆。对于高速数字信号的完整性来说，控制差分信号的阻抗非常重要，因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压；

2.MIPI：移动行业处理器接口( Mobile Industry Processor Interface ) ，MIPI联盟定义了一系列手机内部接口标准，如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口、麦克风接口等。专门在高速模式下采用低振幅信号摆幅，针对功率敏感型应用量身定做。采用差分信号传输，传输线差分阻抗100欧姆；

3.HDMI：高清晰度多媒体接口（High Definition Multimedia Interface），是一种数字化音视频接口技术，适合影像传输的专用型数字化接口，它由4对差分线组成。

参考资料：

1.电子发烧友-差分信号的优缺点

2.简书-差分技术：LVDS、MLVDS、CML、LVPECL的区别与应用场景