差分信号.doc

单模是我们最熟悉的它包括介于驱动器与接收器之间的单根导线或走线信号沿走线传播并从地返回差模包括介于驱动器与接收器的一对走线（或导线）我们一般认为其中一根走线传送正信号而另一根传送负信号，并且大小相等极性相反，没有通过地的返回信号；信号沿一根走线前进并从另外一根返回共模信号通常更难于理解既可以包括单端走线也可以包括两个（可能更多）差分走线同样的信号沿走线以及返回路径（地）或者沿差分对中的两根走线流动大部分人往往对共模信号不熟悉，因为我们自己从来不会故意产生它们它们通常是由从其它（邻近或外部）源耦合进电路的噪声引起的一般来讲，结果最好情况是中性的，最坏情况是具有破坏性的共模信号能够产生干扰电路正常运行的噪声，并且是常见的EMI 问题的来源优点：差分信号相比单端信号有一个显著的缺点：需要两根走线而不是一根，或者两倍的电路板面积但是差分信号有几个优点：如果没有通过地的返回信号，地回路的连续性相对就变得不重要了因此，假如我们有一个模拟信号通过差分对连接到数字器件，就无需担心跨越电源边界，平面不连续等等问题差分器件的电源分割也更容易处理2差分电路在低压信号的应用中是非常有益的如果信号电平非常低，或者如果信噪比是个问题，那么差分信号可以有效地倍增信号电平（+v-(-v)=2v）。

差分信号和差分放大器通常用于信号电平非常低的系统的输入级差分接收器往往对输入信号电平的差敏感，但是常常被设计为对输入的共模偏移不敏感因此在强噪声环境中差分信号往往比单端信号有着更好的性能相比单端信号（以一个不太精确的受电路板其他位置的噪声的干扰的信号为参考）差分信号（彼此互为参考）的翻转时序可以更精确地设定差分对的交叉点定义得非常精确（图1）单端信号位于逻辑1 和逻辑0 之间的交叉点受制于（举例）噪声、噪声门限以及门限检测问题等等图1：逻辑电平在差分信号交叉点的精确位置改变状态重要假设：差分信号的一个重要方面常常被工程师或者设计人员忽略，甚至有时被误解我们从两条广为人知的规则开始：（a）电流在一个闭合的环路内流动以及（b）电流在环路内处处相等考虑差分对的“正”走线电流沿走线流动并且必须在一个环路内流动，通常从地返回另外一根走线中的负信号也必须在一个环路内流动，通常也从地返回这很容易明白如果我们暂时想象一个差分对中的一根走线上的电流保持不变另一根走线中的信号必须从某个地方返回，并且很清楚返回路径应该是单端信号的返回路径（地）我们说差分对没有通过地的返回信号不是因为不能，而是因为返回信号的确存在并且大小相等且极性相反所以相互抵销了（和为零）。

这一点非常重要如果从一个信号（+i）返回的信号严格等于，且符号相反，另一个信号（-i），那么它们的和（+i-i）为零，没有电流从任何地方流过（特别是地）现在假定信号并非严格相等且极性相反设一个为+i1 另一个为-i2这里i1 和i2 的值近似但是不等返回电流的和为(i1-i2)因为不是零，这个增加的电流必须从某个地方返回，推测应该是地你说什么？那么让我们假定发送电路发送一对差分信号，严格相等且极性相反再假定他们在路径的终点仍然如此但是如果路径长度不等会如何呢？如果（差分对中的）一条路径比另外一条长，那么信号在传输到接收器的阶段就不再是严格相等且极性相反了（图2）如果信号在它们从一个状态到另一个状态的转变过程中不再是严格相等且相反，没有电流流经地就不再是正确的了如果有流经地的电流存在，那么电源完整性就一定成为一个问题，并且可能EMI也会成为一个问题图2：（ -）走线比图1 中短，在红色箭头所标示出的范围内差分信号是大小相等且极性相反不再正确从而在这个时间片内将有流经电源系统的电流设计规则1：我们处理差分信号的第一个规则是：走线必须等长有人激烈地反对这条规则通常他们的争论的基础包括了信号时序。

他们详尽地指出许多差分电路可以容忍差分信号两个部分相当的时序偏差而仍然能够可靠地进行翻转根据使用的不同的逻辑门系列，可以容忍500 mil 的走线长度偏差并且这些人们能够将这些情况用器件规范和信号时序图非常详尽地描绘出来问题是，他们没有抓住要点！差分走线必须等长的原因与信号时序几乎没有任何关系与之相关的仅仅是假定差分信号是大小相等且极性相反的以及如果这个假设不成立将会发生什么将会发生的是：不受控的地电流开始流动，最好情况是良性的，最坏情况将导致严重的共模EMI问题因此，如果你依赖这样的假定，即：差分信号是大小相等且极性相反，并且因此没有通过地的电流，那么这个假定的一个必要推论就是差分信号对的长度必须相等差分信号与环路面积：如果我们的差分电路处理的信号有着较慢的上升时间，高速设计规则不是问题但是，假设我们正在处理的信号有着有较快的上升时间，什么样的额外的问题开始在差分线上发生呢？考虑一个设计，一对差分线从驱动器到接收器，跨越一个平面同时假设走线长度完全相等，信号严格大小相等且极性相反因此，没有通过地的返回电流但是，尽管如此，平面层上存在一个感应电流！任何高速信号都能够（并且一定会）在相邻电路（或者平面）产生一个耦合信号。

这种机制与串扰的机制完全相同这是由电磁耦合，互感耦合与互容耦合的综合效果，引起的因此，如同单端信号的返回电流倾向于在直接位于走线下方的平面上传播，差分线也会在其下方的平面上产生一个感应电流但这不是返回电流所有的返回电流已经抵消了因此，这纯粹是平面上的耦合噪声问题是，如果电流必须在一个环路中流动，剩下来的电流到哪里去了呢？记住，我们有两根走线，其信号大小相等极性相反其中一根走线在平面一个方向上耦合了一个信号，另一根在平面另一个方向上耦合了一个信号平面上这两个耦合电流大小相等（假设其它方面设计得很好）因此电流完全在差分走线下方的一个环路中流动（图3）它们看上去就像是涡流耦合电流在其中流动的环路由（a）差分线自身和（b）走线在每个端点之间的间隔来定义图3：即使差分信号严格大小相等且极性相反，因而没有流经电源系统的返回电流，仍然在走线下方的平面中存在在一个环路中流动的感应电流设计规则2：现在EMI 与环路面积已是广为人知了因此如果我们想控制EMI，就需要将环路面积最小化并且做到这一点的方法引出了我们的第二条设计规则：将差分线彼此靠近布线有人反对这条规则，事实上这条规则在上升时间较慢并且EMI 不是问题时并不是必须的。

但是在高速环境中，差分线彼此靠得越近布线，走线下方所感应的电流的环路就越小，EMI 也可以得到更好的控制值得一提的是一些工程师要求设计人员去掉差分线下方的平面原因之一是减小或消除走线下方的感应电流环路另外一个原因是防止平面上已有的噪声耦合到（推测如此）走线上的低压信号还有一个将差分线彼此靠近布线的理由差分接收器设计为对输入信号的差敏感而对输入的共模偏移不敏感也就是说即使（+）输入相对（-）输入仅有轻微的偏移，接收器也会检测到但是如果（+）和（-）输入一起偏移（在同样的方向），相对而言接收器对这种偏移不敏感因此如果任何外部噪声（比如EMI 或串扰）等同地耦合到差分线中，接收器将对此种（共模耦合）噪声不敏感差分线布得越彼此靠近，任何偶合噪声在每根走线上就越相近因此电路的噪声抑制就越好规则2推论：再次假定高速环境中，如果差分线彼此紧挨着布线（为了使其下方的环路面积最小化）那么走线将彼此耦合如果走线足够长以至于端接成为一个问题，这种耦合就会影响到确切的端接阻抗5的计算原因是：考虑一个差分线对，线1 和线2假使它们分别携带信号V1 和V2因为它们是差分线，V2=V1V1 1 引起一个电流I1 而V22 引起一个电流I2。

电流必然是从欧姆定律导出，I=V/Z0，这里Z0 是走线的特征阻抗现1（举例）携带的电流事实上由i1 和k*i2 组成，这里k 是线1 与线2 间的耦合比例这表明这种耦合的最终效果是线1 上的一个明显的阻抗，这个阻抗等于Z=Z0-Z12这里Z12 由线1 与线2 间的互耦引起如果线1 和线2 分得很开，它们之间的耦合就很小，确切的端接阻抗就只是Z0，单端走线的特征阻抗但是如果走线靠的更近，它们之间的耦合就会增加，这样走线的阻抗与这种耦合成比例地减小这就是说确切的走线端接（为了防止反射）为Z0-Z12，或者某个小于Z0 的值这对差分对的两根走线都适用因为没有流经地的电流（大概这是个假设）那么端接电阻被连接1 和线2 之间，且确切的端接阻抗算得是2(Z0-Z12)这个值经常被叫做“差分阻抗”7设计规则3：差分阻抗因互耦而变，而互耦因线距而变因此在任何情况下，走线阻抗，也就是互耦，在全线为常数是很重要的这就得到了我们的第三个规则：（差分对的）线距必须在全线为常数注意对差分阻抗的影响只是规则2 的推论差分阻抗根本不是与生俱来的我们要把差分线彼此靠近布线与EMI 和噪声免疫有关它对“长”线确切端接以及线距一致性的影响的事实只不过是为了EMI 控制而将走线彼此靠近布线的一个推论。

结论：差分信号有几个优点，它们中的三个是（a）与电源系统有效隔离，（b）对噪声免疫，和（c）增强信噪比与电源系统（特别是系统地）隔离依赖于差分线上的信号真正地大小相等且极性相反这个假定也许不成立，如果差分对中单个线长不完全匹配对噪声的免疫经常依赖于走线的紧耦合这将依次影响到为防止反射而对走线进行正确的端接的值，以及如果走线必须紧耦合，通常也是需要的，它们的间距必须全线为常数。