高速差分訊號傳輸理論

差分信號的傳輸需要一對傳輸線來實現(xiàn)，那么這對傳輸線又叫做差分對。能夠用單端傳輸線組成差分對的兩條傳輸線。和單端傳輸線相類似，差分對傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見的幾種截面幾何外形。

隨著信號速率的提高，差分互連得到越來越多的應(yīng)用。實際上差分對是具有耦合的傳輸線，其主要用的是差分信號的特征，用差分對來實現(xiàn)。差分信號利用兩個輸出驅(qū)動來驅(qū)動兩條傳輸線。其中一根攜帶信號，另一根攜帶它的互補(bǔ)信號，兩條傳輸線上面的壓差就是需要傳輸?shù)?a target="_blank">信息。在差分信號的傳輸過程中，主要是以兩條傳輸線為傳輸載體，差分驅(qū)動器輸出的是邊緣能夠?qū)R的兩個信號，但是正好方向相反，如下圖所示。兩個高速信號分別傳輸，接收端在信號抵達(dá)接收器時對兩個信號作差分檢測，得到的差值就是差分信號。差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來EMI和眼圖等問題，上升沿速度越快，其對差分長度匹配要求越高.

差分訊號示意圖

在接收端，線 1 的電壓是V1，線 2 的電壓是V2 。通過放大器可以得到 1 和 2之間的壓差，由此可以恢復(fù)差分信號：

在上面的式子中，Vdiff —差分信號

V1 —線 1 相對于共用返回路徑的信號電壓

V2 —線 2 相對于共用返回路徑的信號電壓

除了差分信號，共模信號也是電路中存在的[40]，其可以用兩條線上的平均電 壓來表示，定義為：

在上面的式子中，Vcom—共模信號。

理想狀態(tài)，共模信號被認(rèn)為是沒有變化的。共模信號由于不帶有信息，所以不影響信號完整性和系統(tǒng)性能。所以接收端要想準(zhǔn)確的接收差分信號，必須要有共模抑制的功能。除此之外，在一定條件下，差分傳輸?shù)目垢蓴_能力好于單端信號

，差分和共模信號分量都是屬于高速信號，如下圖所示，差分信號在-0.25 到 +0.25 之間。因此傳輸線上的差分信號電壓就是 0.5V。

差分信號分量以及共模信號分量

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因為對兩個單端信號進(jìn)行差分檢測的時候，其噪聲有可能會抵消。只要外界對差分對中兩個單端信號上的干擾基本一致，就不會影響差分信號的傳輸。所以無論采取何種走線方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線周圍環(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號干擾。理想情況下，差分信號是正負(fù)對稱的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線的正負(fù)傳輸線長度不等，造成傳輸時間不一致，實際上就是信號在時間軸上的不對稱，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時的正負(fù)波形不能嚴(yán)格對稱，差分電路中的正負(fù)電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動。如果研究過EMI的人都知道，共模輻射是最難對付的。

圖1

圖2

影響信號完整性的因素

有很多方面的因素都會影響信號的完整性。就像信號的上升時間縮短、不同的信號通道之間時延不一樣、頻率發(fā)生變化、互聯(lián)通道沒有達(dá)到理想狀態(tài)以及外部環(huán)境發(fā)生變化等都會影響信號完整性。然而本質(zhì)原因，是因為信號的上升時間縮短。這樣的話，隨著上升時間越來越短，傳輸信號中不可避免的就會產(chǎn)生更多的高頻分量，由于高頻分量與通道之間會產(chǎn)生相互影響，這樣就有可能給信號帶來許多不可預(yù)知的畸變。

幾乎全部的信號完整性問題能夠分成下面 3 種問題的影響：時序、噪聲、電磁干擾。

在時序內(nèi)對信號完整性進(jìn)行研究其實就是一個比較復(fù)雜的領(lǐng)域。一個時鐘內(nèi)，肯定會發(fā)生一定量的操作，所以需要在時間預(yù)算中劃分出一小段時間并把這些時間分配給各種不同的操作。雖然時序是影響信號完整性的一個因素，但是我們一般主要是對噪聲部分的問題進(jìn)行的研究。

噪聲部分又可以分為阻抗不連續(xù)、耦合、串?dāng)_、反射、振鈴等等，這些因素之間還會相互影響相互制約，所以對信號完整性的研究是一個綜合平衡各種因素的過程。

差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來EMI和眼圖等問題。上升沿速度越快，對差分長度匹配要求越高。