單端信號(hào)與差分信號(hào)的區(qū)別

單端信號(hào)

單端信號(hào)是相對(duì)于差分信號(hào)而言的，單端輸入指信號(hào)有一個(gè)參考端和一個(gè)信號(hào)端構(gòu)成，參考端一般為地端。

差分信號(hào)

差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法（單端信號(hào)），差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。

單端與差分信號(hào)比較

差分信號(hào)與單端信號(hào)走線的做法相比，其優(yōu)缺點(diǎn)分別是 —— 優(yōu)點(diǎn)：

抗干擾能力強(qiáng)。干擾噪聲一般會(huì)等值、同時(shí)被加載到兩根信號(hào)線上，而其差值為0，即，噪聲對(duì)信號(hào)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(hào)幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場(chǎng)的幅值也相等，同時(shí)他們的信號(hào)極性相反，其電磁場(chǎng)將相互抵消。因此對(duì)外界的電磁干擾也小。

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

缺點(diǎn)：

若電路板的面積非常緊張，單端信號(hào)可以只有一根信號(hào)線，地線走地平面，而差分信號(hào)一定要走兩根等長(zhǎng)、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(guò)一根走線的情況下。

異同分析

一、基本區(qū)別

不說(shuō)理論上的定義，說(shuō)實(shí)際的。單端信號(hào)指的是用一個(gè)線傳輸?shù)男盘?hào)，一根線沒參考點(diǎn)怎么會(huì)有信號(hào)呢？easy，參考點(diǎn)就是地啊。也就是說(shuō)，單端信號(hào)是在一根導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地之間的電平差。那么當(dāng)你把信號(hào)從A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)的時(shí)候，有一個(gè)前提就是A點(diǎn)和B點(diǎn)的地電勢(shì)應(yīng)該差不多是一樣的，為啥說(shuō)差不多呢，后面再詳細(xì)說(shuō)。

差分信號(hào)指的是用兩根線傳輸?shù)男盘?hào)，傳輸?shù)氖莾筛盘?hào)之間的電平差。當(dāng)你把信號(hào)從A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)的時(shí)候，A點(diǎn)和B點(diǎn)的地電勢(shì)可以一樣也可以不一樣，但是A點(diǎn)和B點(diǎn)的地電勢(shì)差有一個(gè)范圍，超過(guò)這個(gè)范圍就會(huì)出問(wèn)題了。

二、傳輸上的差別

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

首先說(shuō)最大的一個(gè)問(wèn)題，地電勢(shì)差以及地一致性。大家都認(rèn)為地是0V，實(shí)際上，真正的應(yīng)用中地是千奇百怪變化莫測(cè)的一個(gè)東西。比如A點(diǎn)到B點(diǎn)之間，有那么一根線，用來(lái)連接兩個(gè)系統(tǒng)之間的地，那么如果這根線上的電流很大時(shí)，兩點(diǎn)間的地電勢(shì)可能就不可忽略了，這樣一個(gè)信號(hào)，從A的角度看起來(lái)是1V，從B的角度看起來(lái)可能只有0.8V了，這可不是一個(gè)什么好事情，這就是地電勢(shì)差對(duì)單端信號(hào)的影響。

接著說(shuō)地一致性。實(shí)際上很多時(shí)候這個(gè)地上由于電流忽大忽小，布局結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)近近， 地上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓波動(dòng)，這也會(huì)影響單端信號(hào)的質(zhì)量。

差分信號(hào)在這一點(diǎn)有優(yōu)勢(shì)，由于兩個(gè)信號(hào)都是相對(duì)于地的 ，當(dāng)?shù)仉妱?shì)發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)信號(hào)同時(shí)上下浮動(dòng)（當(dāng)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(hào)質(zhì)量不就高了嗎？其次就是傳輸過(guò)程中的干擾，當(dāng)一根導(dǎo)線穿過(guò)某個(gè)線圈時(shí)，且這根線圈上通著交流電時(shí)，這根導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

好簡(jiǎn)單的道理，實(shí)際上工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遇到的大部分。問(wèn)題就是這么簡(jiǎn)單，可是你無(wú)法抗拒～ 如果是單端信號(hào)，產(chǎn)生多少，就是多少，這就是噪聲你毫無(wú)辦法。但是如果是差分信號(hào)，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(dòng)勢(shì)不是一樣嗎，兩個(gè)一減，他不就沒了嗎～ 確實(shí)，同樣的情況下，傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，差分信號(hào)具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力、更強(qiáng)的抗干擾能力，同樣的，當(dāng)你傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)對(duì)其他設(shè)備有干擾時(shí)，差分信號(hào)也比單端信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)小，也就是常說(shuō)的EMI特性。

三、使用時(shí)需要注意的

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

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

其實(shí)也挺簡(jiǎn)單的，將兩根線都通過(guò)一個(gè)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(huì)影響風(fēng)箏的高度 但是你永遠(yuǎn)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(gè)網(wǎng)友的問(wèn)題：?jiǎn)味宿D(zhuǎn)差分怎么轉(zhuǎn)。單單將單端信號(hào)用反向跟隨器跟隨并不是不行，但是差分信號(hào)被平白的放大了2倍，常見的用儀表運(yùn)方+普通運(yùn)方搭建的單端轉(zhuǎn)差分是個(gè)很好的例子。

對(duì)差分認(rèn)識(shí)常見誤區(qū)

認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)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(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。差分電路對(duì)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(hào)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(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路。

在PCB電路設(shè)計(jì)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(duì)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(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加 EMI，要盡量避免。也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)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(hào)，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(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成 EMI 輻射，這種做法弊大于利。

認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)更重要。在實(shí)際的PCB布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)的要求。由于管腳分布，過(guò)孔以及走線空間等因素存在，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長(zhǎng)匹配的目的，但帶來(lái)的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無(wú)法平行。PCB 差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長(zhǎng)，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。

認(rèn)為差分走線一定要靠得很近。讓差分走線靠近無(wú)非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。雖說(shuō)這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對(duì)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(guò)彼此的強(qiáng)耦合達(dá)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(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過(guò)4 倍線寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過(guò)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(jì)中經(jīng)常會(huì)被采用，被稱為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制。

差分走線也可以走在不同的信號(hào)層中，但一般不建議這種走法，因?yàn)椴煌膶赢a(chǎn)生的諸如阻抗、過(guò)孔的差別會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會(huì)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(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個(gè)問(wèn)題。在一般頻率（GHz 以下），EMI 也不會(huì)是很嚴(yán)重的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)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(dá)到 60dB，足以滿足 FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過(guò)分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問(wèn)題。

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

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

審核編輯：湯梓紅