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(xiàn)將使用單端信號。

相反，諸如網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和計算機外圍設備接口之類(lèi)的高速數字接口則使用差分信令。

差分信號的長(cháng)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(huì )使用差分信號在組件之間發(fā)送數據

在過(guò)去的幾天里，如果您使用的電話(huà)插在墻上，您可能會(huì )聽(tīng)到其他人的談話(huà)滲入您的電話(huà)線(xiàn)。今天，我們在使用差分對的高速PCB設計中解決了這個(gè)以及其他信號完整性問(wèn)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(xié)議使用的主要路由方式，包括標準計算接口（如USB）和網(wǎng)絡(luò )接口（如以太網(wǎng)）。

單端信號和差分信號之間的差異在物理布局級別上很簡(jiǎn)單，但在信號級別以及驅動(dòng)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(guān)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(jìn)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(xié)議使用單端信令，而高速協(xié)議使用差分信令，盡管某些低速協(xié)議仍使用差分信令。這兩種類(lèi)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(guò)獲取每條線(xiàn)上信號電平之間的差異來(lái)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(xiàn)對的長(cháng)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(shí)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(xiàn)和布局的一般要求。還顯示了單端信令要求以進(jìn)行比較。

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

差分信號可以解決什么

如果您查看高速信令標準，將會(huì )發(fā)現主要使用差分對路由。差分對很有用，主要有兩個(gè)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(huà)說(shuō)，任何共模噪聲將在接收機處減去，并且不會(huì )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(shuō)明這一點(diǎn)。

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(huì )發(fā)現自阻抗和耦合阻抗都發(fā)散到無(wú)窮大，但是兩者之間的差是一個(gè)常數。

下圖顯示了低壓差分信號（LVDS）中使用的驅動(dòng)器和接收器級。在此，線(xiàn)對周?chē)鷽](méi)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(chǎng)在差分對的每一側終止。這個(gè)特定的圖表很不錯，因為它說(shuō)明了在類(lèi)似UTP電纜上的以太網(wǎng)之類(lèi)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(méi)有任何接地。

LVDS差分通道示例

在此示例中，使用LVDS時(shí)，接收器端的阻抗為100 Ohm，該阻抗等于線(xiàn)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(lián)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(wú)法解決的問(wèn)題

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

差分模式噪聲和差分串擾。與普遍的看法相反，差分對產(chǎn)生串擾，并且容易受到串擾的影響。特別是，在兩個(gè)差分對之間會(huì )產(chǎn)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(gè)神話(huà)。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(huì )影響接收器。

EMI輻射。與前一點(diǎn)相似，差分對確實(shí)會(huì )發(fā)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(xiàn)的場(chǎng)極性相反，因此，當成對的密度較高時(shí)，發(fā)射的輻射會(huì )更弱。

信號失真。當信號沿互連線(xiàn)傳播時(shí)，會(huì )遭受損耗和色散，這兩者都會(huì )造成信號失真。就像單端信號一樣，差分信號也會(huì )遭受信號失真。

在兩種信令中，靠近走線(xiàn)的參考平面都可以解決一個(gè)問(wèn)題，它可以屏蔽EMI。通過(guò)允許磁場(chǎng)線(xiàn)終止于參考平面，它還為走線(xiàn)周?chē)囊恍┓祷仉娏魈峁┝艘粋€(gè)位置。參考平面還定義了差分對以及單端信號中每個(gè)跡線(xiàn)的單端阻抗（特性阻抗）。布線(xiàn)工具可以幫助您在差分對中實(shí)施長(cháng)度匹配，同時(shí)在布線(xiàn)PCB布局時(shí)保持受控的阻抗。