單端信號與差分信號的基本區(qū)別和使用注意事項

單端信號

單端信號是相對于差分信號而言的，單端輸入指信號有一個參考端和一個信號端構(gòu)成，參考端一般為地端。

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（單端信號），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，相位相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘柧褪遣罘中盘枴?/p>

單端與差分信號比較

差分信號與單端信號走線的做法相比，其優(yōu)缺點分別是 ——

優(yōu)點：

抗干擾能力強。干擾噪聲一般會等值、同時被加載到兩根信號線上，而其差值為0，即，噪聲對信號的邏輯意義不產(chǎn)生影響。

能有效抑制電磁干擾（EMI）。由于兩根線靠得很近且信號幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場的幅值也相等，同時他們的信號極性相反，其電磁場將相互抵消。因此對外界的電磁干擾也小。

時序定位準確。差分信號的接受端是兩根線上的信號幅值之差發(fā)生正負跳變的點，作為判斷邏輯0/1跳變的點的。而普通單端信號以閾值電壓作為信號邏輯0/1的跳變點，受閾值電壓與信號幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號。

缺點：

若電路板的面積非常緊張，單端信號可以只有一根信號線，地線走地平面，而差分信號一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這樣的情況常常發(fā)生在芯片的管腳間距很小，以至于只能穿過一根走線的情況下。

異同分析

一、基本區(qū)別

不說理論上的定義，說實際的。單端信號指的是用一個線傳輸?shù)男盘?，一根線沒參考點怎么會有信號呢？easy，參考點就是地啊。也就是說，單端信號是在一根導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地之間的電平差。那么當你把信號從A點傳遞到B點的時候，有一個前提就是A點和B點的地電勢應(yīng)該差不多是一樣的，為啥說差不多呢，后面再詳細說。

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。當你把信號從A點傳遞到B點的時候，A點和B點的地電勢可以一樣也可以不一樣，但是A點和B點的地電勢差有一個范圍，超過這個范圍就會出問題了。

二、傳輸上的差別

單端信號的優(yōu)點是，省錢、方便。大部分的低頻電平信號都是使用單端信號進行傳輸?shù)?。一個信號一根線，最后，把兩邊的地用一根線一連，完事。缺點在不同應(yīng)用領(lǐng)域暴露的不一樣，歸結(jié)起來，最主要的一個方面就是，抗干擾能力差。

首先說最大的一個問題，地電勢差以及地一致性。大家都認為地是0V，實際上，真正的應(yīng)用中地是千奇百怪變化莫測的一個東西。比如A點到B點之間，有那么一根線，用來連接兩個系統(tǒng)之間的地，那么如果這根線上的電流很大時，兩點間的地電勢可能就不可忽略了，這樣一個信號，從A的角度看起來是1V，從B的角度看起來可能只有0.8V了，這可不是一個什么好事情，這就是地電勢差對單端信號的影響。

接著說地一致性。實際上很多時候這個地上由于電流忽大忽小，布局結(jié)構(gòu)遠遠近近，地上會產(chǎn)生一定的電壓波動，這也會影響單端信號的質(zhì)量。

差分信號在這一點有優(yōu)勢，由于兩個信號都是相對于地的 ，當?shù)仉妱莅l(fā)生變化時，兩個信號同時上下浮動（當然是理想狀態(tài)下）， 差分兩根線之間的電壓差卻很少發(fā)生變化，這樣信號質(zhì)量不就高了嗎？其次就是傳輸過程中的干擾，當一根導(dǎo)線穿過某個線圈時，且這根線圈上通著交流電時，這根導(dǎo)線上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

好簡單的道理，實際上工業(yè)現(xiàn)場遇到的大部分。問題就是這么簡單，可是你無法抗拒～ 如果是單端信號，產(chǎn)生多少，就是多少，這就是噪聲你毫無辦法。但是如果是差分信號，你就可以考慮拉，為啥呢，兩根導(dǎo)線是平行傳輸?shù)模?每根導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不是一樣嗎，兩個一減，他不就沒了嗎～ 確實，同樣的情況下，傳輸距離較長時，差分信號具有更強的驅(qū)動能力、更強的抗干擾能力，同樣的，當你傳輸?shù)男盘枙ζ渌O(shè)備有干擾時，差分信號也比單端信號產(chǎn)生的信號相對小，也就是常說的EMI特性。

三、使用時需要注意的

由于差分比單端有不少好處，在模擬信號傳輸中很多人愿意使用差分信號，比如橋式應(yīng)變片式力傳感器，其輸出信號滿量程時有的也只有2mV，如果使用單端信號傳輸，那么這個信號只要電源的紋波就能把他吃光。所以實際上，都是用儀表運放進行放大后，再進行處理。而儀表運方正是處理差分信號最有力的幾個工具之一。

但是，使用差分信號時，一定要注意一個問題，共模電壓范圍。也就是說，這兩根線上的電壓，相對于系統(tǒng)的地，還是不能太大。你傳輸0.1V的信號沒問題，但是如果一根是 1000.0 另外一根是 1000.1，那就不好玩了，問題在于，在很多場合下使用差分信號都是為了不讓兩個系統(tǒng)的地簡單的共在一起，更不能把差分信號中的一根直接接在本地系統(tǒng)的地上，那不白費勁嗎 —— 又成單端了，那么如何抑制共模電壓呢？

其實也挺簡單的，將兩根線都通過一個足夠大的電阻，連接到系統(tǒng)的地上。這就像一根拴在風(fēng)箏上的線，我在地上跑跑跳跳，不會影響風(fēng)箏的高度 但是你永遠逃不出我的視線，而我的視線，在電子行業(yè)，叫共模電壓范圍。最后，回答一個網(wǎng)友的問題：單端轉(zhuǎn)差分怎么轉(zhuǎn)。單單將單端信號用反向跟隨器跟隨并不是不行，但是差分信號被平白的放大了2倍，常見的用儀表運方+普通運方搭建的單端轉(zhuǎn)差分是個很好的例子。

對差分認識常見誤區(qū)

認為差分信號不需要地平面作為回流路徑，或者認為差分走線彼此為對方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對高速信號傳輸?shù)臋C理認識還不夠深入。

差分電路對于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號返回路徑，其實在信號回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機理是一致的，即高頻信號總是沿著電感最小的回路進行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強，那一種就成為主要的回流通路。

在PCB電路設(shè)計中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占 10~20%的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時候，無參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對差分走線的影響沒有對普通的單端走線來的嚴重，但還是會降低差分信號的質(zhì)量，增加 EMI，要盡量避免。也有些設(shè)計人員認為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？不給共模信號提供地阻抗回路，勢必會造成 EMI 輻射，這種做法弊大于利。

認為保持等間距比匹配線長更重要。在實際的PCB布線中，往往不能同時滿足差分設(shè)計的要求。由于管腳分布，過孔以及走線空間等因素存在，必須通過適當?shù)睦@線才能達到線長匹配的目的，但帶來的結(jié)果必然是差分對的部分區(qū)域無法平行。PCB 差分走線的設(shè)計中最重要的規(guī)則就是匹配線長，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計要求和實際應(yīng)用進行靈活處理。

認為差分走線一定要靠得很近。讓差分走線靠近無非是為了增強他們的耦合，既可以提高對噪聲的免疫力，還能充分利用磁場的相反極性來抵消對外界的電磁干擾。雖說這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過彼此的強耦合達到抗干擾和抑制 EMI 的目的了。

如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？增大與其它信號走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過4 倍線寬時，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的（10G 以上）IC封裝PCB 設(shè)計中經(jīng)常會被采用，被稱為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴格的差分阻抗控制。

差分走線也可以走在不同的信號層中，但一般不建議這種走法，因為不同的層產(chǎn)生的諸如阻抗、過孔的差別會破壞差模傳輸?shù)男Ч?，引入共模噪聲。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周圍走線適當?shù)拈g距，串擾就不是個問題。在一般頻率（GHz 以下），EMI 也不會是很嚴重的問題，實驗表明，相距 500Mils 的差分走線，在3 米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達到 60dB，足以滿足 FCC的電磁輻射標準，所以設(shè)計者根本不用過分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問題。

差分曼切斯特編碼并不是差分信號的一種，它指的是用在每一位開始時的電平跳變來表示邏輯狀態(tài)“0”，不跳變來表示邏輯狀態(tài)“1”。但每一位中間的跳變是用來做同步時鐘，沒有邏輯意義。

雙絞線上面走的不一定是差分信號，單端信號在雙絞線上的電磁輻射也比平行走線的輻射小。

審核編輯：郭婷