關(guān)于差分信號該了解的知識

　　差分信號只是使用兩根信號線傳輸一路信號，依靠信號間電壓差進(jìn)行判決的電路，既可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。實際的信號都是模擬信號，數(shù)字信號只是模擬信號用門限電平量化后的取樣結(jié)果。因此差分信號對于數(shù)字和模擬信號都可以定義。

　　一個差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)“地”（GND）被用作電壓基準(zhǔn)點。當(dāng)“地”當(dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因為信號是用單個導(dǎo)體上的電壓來表示的。

　　VDS不是傳輸速率快，是抗干擾能力強。有信號時，一棵線電壓+V，另一棵線電壓-V，接收端獲得的信號是兩者的差值+V-（-V）=2V。外界的干擾信號在兩棵線中山上的是同樣幅度和極性的+v信號，在接收端差值的過程中互相抵消了。由于抗干擾能力強，數(shù)字信號不易出錯，可以避免因校驗出錯引起的重發(fā)，從這個意義上說差分信號傳輸速率。

　　差分的概念在《模擬電路》課程里已經(jīng)學(xué)習(xí)過了。差分信號是一對大小相等而極性相反的對稱信號，差分信號用于傳輸有用的信號。共模信號是作用于差分信號線上的一對大小相等極性也相同的信號，共模信號往往來自于外部干擾。差分信號在接收端是靠差分放大器來檢測的。差分放大器只對兩路輸入信號之間的差值起放大作用，而對兩路輸入信號共同對地的電位不起作用。

　　差分傳輸?shù)男盘柲軌驅(qū)ν獠扛蓴_能夠起到很強的抗干擾能力。

　　原始的輸入信號經(jīng)過倒相器和緩沖器之后形成一對大小相等而極性相反的差分信號。對模擬信號，倒相器可以用運算放大器的反相比例放大電路來實現(xiàn)，緩沖器可以用運算放大器的同相跟隨電路來實現(xiàn)。對數(shù)字信號，可以分別用“非門”邏輯和同相緩沖器來實現(xiàn)。

　　差分信號在PCB（印制線路板）上被安排成“密近平行線”（PCB布線要領(lǐng)?。秒娎|連接兩臺設(shè)備時則采用并行排線或雙絞線。在差分信號傳輸過程中會遇到外部干擾信號，但是，由于兩根差分信號線始終在一起，因此干擾信號一般都會同時作用在兩根信號線上，形成疊加在兩根信號線上大小相等相位也相同的共模信號。

　　到了接收端，差分放大器只對差分信號（有用信號）敏感，而對共模信號（干擾信號）形成抑制。這樣，差分傳輸?shù)男盘柧途邆淞撕軓姷目垢蓴_能力，因此特別適用于中遠(yuǎn)距離通信或高速通信。相比之下，UART的兩根信號線TXD和RXD就不適合于遠(yuǎn)距離通信，因為不是差分信號，所以一旦遇到外部干擾，信號就會嚴(yán)重畸變，在接收端因無法區(qū)分有用信號的和干擾信號而會形成大量的誤碼。

　　簡單地講，差分信號就是兩個相關(guān)信號的差值，本文介紹的是電壓差分信號，它已經(jīng)廣泛的用于音頻、數(shù)據(jù)傳輸和電

　　話中。雖然比單端輸入信號系統(tǒng)要復(fù)雜，但差分信號系統(tǒng)的優(yōu)點是明顯的。第一，差分信號對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源對差分信號對的每一端影響都是相同的。因為由電壓差來決定信號，兩邊的干擾相抵，信號便不會有大幅的變化。第二，差分信號有利于識別微小信號。在差分信號系統(tǒng)中，基準(zhǔn)點是由使用者來確定的，可以選擇兩輸入端的平均信號作為基準(zhǔn)點，這就減小了信號的擺動范圍。第三，單端輸入系統(tǒng)的信號要依靠虛地，而差分信號就不需要這樣一個虛地，增加了雙極型信號的保真度和穩(wěn)定性。第四，差分信號的時序定位精確。差分信號受工藝和環(huán)境溫度的影響小，可降低時序上的誤差。目前流行的LVDS就是一種小振幅差分信號技術(shù)。

　　差分放大器就是接受和輸出差分信號的器件，同運算放大器一樣，它能接收雙端輸入，不同的是它具有雙輸出端，而不像運算放大器只有單端口。在差分放大器中，其輸出共模電壓（VOCM）能獨立地被差分電壓控制。圖1是差分放大器的簡明原理圖。

　　圖1 標(biāo)準(zhǔn)的差分放大器

　　新型的差分放大器

　　差分放大器有幾個優(yōu)點。第一是抗噪聲能力，這一點在介紹差分信號時已經(jīng)提及了。第二個優(yōu)點是增加了差分輸出電壓擺動（見圖2）。這其中的道理也不復(fù)雜，輸出端的兩電壓為反相，其差值當(dāng)然是單端輸出的2倍了。第三個優(yōu)點是減少了偶數(shù)階的信號失真。為了解釋這個道理，我們把輸出端電壓表示成輸入端的多階函數(shù)合。

　　圖2 差分輸出電壓擺

　　Vout+ = k1Vin + k2Vin2 + k3Vin3 + … ， （1）

　　Vout- = k1（-Vin） + k2（-Vin）2 + k3（-Vin）3+… （2）

　　Vod = Vout-Vout-=2k1Vin + 2k3Vin3 + … （3）

　　從式（3）中可以看出，偶數(shù)階被消去了。

　　為了適應(yīng)市場的發(fā)展，各家公司紛紛推出了各自的差分放大器產(chǎn)品，像ADI公司的AD4937/4938，TI公司的THS4520，MAXIM公司的MAX4198/MAX4199以及Linear公司的LTC6400等。憑借著工藝的進(jìn)步，這些產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)都達(dá)到了很高的水平。以AD4937為例，其輸入電壓噪聲為2.2nV/√Hz； 1.6GHz的-3dB帶寬，增益G=1；壓擺率為5000V/μS；在125MHz時有 0.1dB增益平坦度帶寬；能驅(qū)動從直流到100MHz的ADC。