差分信號的原理以及在PCB設(shè)計(jì)中的處理方法解析

什么是差分信號

差分傳輸是一種信號傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的振幅相等，相位相差180度，極性相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘柧褪遣罘中盘枴?/p>

差分信號與單端信號的區(qū)別

單端信號指的是用一個線傳輸?shù)男盘?，一根線沒參考點(diǎn)怎么會有信號呢？參考點(diǎn)就是地啊。也就是說，單端信號是在一跟導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地之間的電平差。那么當(dāng)你把信號從A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)的時候，有一個前提就是A點(diǎn)和B點(diǎn)的地電勢應(yīng)該差不多是一樣的。

差分信號指的是用兩根線傳輸?shù)男盘枺瑐鬏數(shù)氖莾筛盘栔g的電平差。當(dāng)你把信號從A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)的時候，A點(diǎn)和B點(diǎn)的地電勢可以一樣也可以不一樣，但是A點(diǎn)和B點(diǎn)的地電勢差有一個范圍，超過這個范圍就會出問題了。

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?yàn)橐粋€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)地被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)?shù)禺?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?yàn)樾盘柺怯脝蝹€導(dǎo)體上的電壓來表示的。

另一方面，一個差分信號作用在兩個導(dǎo)體上。信號值是兩個導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個電壓的平均值還是會經(jīng)常保持一致。我們用一個方法對差分信號做一下比喻，差分信號就好比是蹺蹺板上的兩個人，當(dāng)一個人被蹺上去的時候，另一個人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個人都是同一水平。這兩個蹺蹺板用一對標(biāo)識為V+和V-的導(dǎo)線來表示。當(dāng)V+>V-時，信號定義成正極信號，當(dāng)V+

差分信號的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)一，相對于單端信號，差分信號減小了潛在的電磁干擾（EMI）。使用差分方式傳輸，信號的電壓峰峰值會被放大了一倍，但是單根線上的電流卻保持不變。如果采用傳統(tǒng)的單線傳輸方式，在驅(qū)動相同的信號時，更容易造成EMI問題。

優(yōu)點(diǎn)二，差分信號的值很大程度上與“地”的精確值無關(guān)，能很好的抵抗電源的干擾。在一個地做基準(zhǔn)，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)地的一致性。信號源和信號接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大程度上與地的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。假如兩條信號都收到同樣的（同向、等幅度）的干擾信號，由于接收端是對接收的兩條線信號進(jìn)行減法處理，因此干擾信號會被基本抵消。也就是說，一個差分放大器的輸入有效信號幅度只需要幾毫伏，但是它卻能夠?qū)σ粋€高達(dá)幾伏特的共模信號無動于衷。

優(yōu)點(diǎn)三，差分對內(nèi)每根信號都有自己的返回路徑，能夠減輕信號跨分割帶來的影響。單線跨分割對傳輸線的影響很大，差分線對跨分割就不是那么敏感，主要原因就是，差分對兩線可以互為參考，兩根線可以相互作為返回路徑。

差分信號在做pcb設(shè)計(jì)時的處理方法

一般我們在做PCB設(shè)計(jì)時，習(xí)慣的硬件命名上，會在差分信號的信號名尾部加“+”和“-”或者“P”和“N”作為標(biāo)識，大家可以通過命名來識別差分信號。常規(guī)的差分信號處理方法是：

1、 差分信號走線要耦合處理，就是2根信號線在PCB設(shè)計(jì)時是緊挨著的，不允許分開走線，如下圖示。

2、一對差分信號的2根信號線之間需要做等長處理，等長范圍為5mil，等長不需要做到更小，有仿真驗(yàn)證，等長范圍做到5mil以下（1mil）并不能對信號質(zhì)量有很大提升。等長處理的位置選擇在產(chǎn)生長度誤差的地方，等長需要做小波浪處理。