差分信號(hào)全面詳解！

一個(gè)差分信號(hào)是用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示兩個(gè)物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來(lái)講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)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)'地'當(dāng)作電壓測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語(yǔ)是因?yàn)樾盘?hào)是用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來(lái)表示的。

另一方面，一個(gè)差分信號(hào)作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號(hào)值是兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要，這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。

我們用一個(gè)方法對(duì)差分信號(hào)做一下比喻，差分信號(hào)就好比是蹺蹺板上的兩個(gè)人，當(dāng)一個(gè)人被蹺上去的時(shí)候，另一個(gè)人被蹺下來(lái)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(gè)人都是同一水平。

圖1 用蹺蹺板表示的差分信號(hào)

應(yīng)用到電學(xué)上，這兩個(gè)蹺蹺板用一對(duì)標(biāo)識(shí)為V+和V-的導(dǎo)線來(lái)表示。當(dāng)V+>V-時(shí)，信號(hào)定義成正極信號(hào)，當(dāng)V+

圖2 差分信號(hào)波形和單端等價(jià)

圖2 差分對(duì)圍繞擺動(dòng)的平均電壓設(shè)置成 2.5V。當(dāng)該對(duì)的每個(gè)信號(hào)都限制成 0-5V 振幅時(shí)，偏移該差分對(duì)會(huì)提供一個(gè)信號(hào)擺動(dòng)的最大范圍。當(dāng)用單一5V 電源操作時(shí)，經(jīng)常就會(huì)出現(xiàn)這種情況。

當(dāng)不采用單端信號(hào)而采取差分信號(hào)方案時(shí)，我們用一對(duì)導(dǎo)線來(lái)替代單根導(dǎo)線，增加了任何相關(guān)接口電路的復(fù)雜性。那么差分信號(hào)提供了什么樣的有形益處，才能證明復(fù)雜性和成本的增加是值得的呢？

差分信號(hào)的第一個(gè)好處是，因?yàn)槟阍诳刂?#39;基準(zhǔn)'電壓，所以能夠很容易地識(shí)別小信號(hào)。在一個(gè)地做基準(zhǔn)，單端信號(hào)方案的系統(tǒng)里，測(cè)量信號(hào)的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)'地'的一致性。信號(hào)源和信號(hào)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(hào)恢復(fù)的信號(hào)值在很大程度上與'地'的精確值無(wú)關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。

差分信號(hào)的第二個(gè)主要好處是，它對(duì)外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個(gè)干擾源幾乎相同程度地影響差分信號(hào)對(duì)的每一端。既然電壓差異決定信號(hào)值，這樣將忽視在兩個(gè)導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對(duì)干擾不大靈敏外，差分信號(hào)比單端信號(hào)生成的 EMI 還要少。

差分信號(hào)提供的第三個(gè)好處是，在一個(gè)單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理'雙極'信號(hào)。為了處理單端，單電源系統(tǒng)的雙極信號(hào)，我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處（通常是中點(diǎn)）建立一個(gè)虛地。用高于虛地的電壓來(lái)表示正極信號(hào)，低于虛地的電壓來(lái)表示負(fù)極信號(hào)。接下來(lái)，必須把虛地正確地分布到整個(gè)系統(tǒng)里。而對(duì)于差分信號(hào)，不需要這樣一個(gè)虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號(hào)有一個(gè)高保真度，而無(wú)須依賴虛地的穩(wěn)定性。剛才提到了單端信號(hào)，其實(shí)，信號(hào)通常以三種模式沿電路傳播：?jiǎn)味恕⒉钅；蚬材！?/p>

單模是我們最熟悉的。它包括介于驅(qū)動(dòng)器與接收器之間的單根導(dǎo)線或走線，信號(hào)沿走線傳播并從地返回。

這里最難理解的是共模信號(hào)。它既可以包括單端走線也可以包括兩個(gè)(可能更多)差分走線。同樣的信號(hào)沿走線以及返回路徑(地)或者沿差分對(duì)中的兩根走線流動(dòng)。大部分人往往對(duì)共模信號(hào)不熟悉，因?yàn)槲覀冏约簭膩?lái)不會(huì)故意產(chǎn)生它們。它們通常是由從其它(鄰近或外部)源耦合進(jìn)電路的噪聲引起的。一般來(lái)講，結(jié)果 最好情況是中性的，最壞情況是具有破壞性的。共模信號(hào)能夠產(chǎn)生干擾電路正常運(yùn)行的噪聲，并且是常見(jiàn)的EMI 問(wèn)題的來(lái)源。差分信號(hào)相比單端信號(hào)有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)：需要兩根走線而不是一根，或者兩倍的電路板面積。但是差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：如果沒(méi)有通過(guò)地的返回信號(hào)， 地回路的連續(xù)性相對(duì)就變得不重要了。因此，假如我們有一個(gè)模擬信號(hào)通過(guò)差分對(duì)連接到數(shù)字器件，就無(wú)需擔(dān)心跨越電源邊界，平面不連續(xù)等等問(wèn)題。差分器件的電源分割也更容易處理2。差分電路在低壓信號(hào)的應(yīng)用中是非常有益的。如果信號(hào)電平非常低，或者如果信噪比是個(gè)問(wèn)題，那么差分信號(hào)可以有效地倍增信號(hào)電平(+v-(-v)=2v)。差分信號(hào)和差分放大器通常用于信號(hào)電平非常低的系統(tǒng)的輸入級(jí)。

差分接收器往往對(duì)輸入信號(hào)電平的差敏感，但是常常被設(shè)計(jì)為對(duì)輸入的共模偏移不敏感。因此在強(qiáng)噪聲環(huán)境中差分信號(hào)往往比單端信號(hào)有著更好的性能。

相比單端信號(hào)(以一個(gè)不太精確的受電路板其他位置的噪聲的干擾的信號(hào)為參考)，差分信號(hào)(彼此互為參考)的翻轉(zhuǎn)時(shí)序可以更精確地設(shè)定。差分對(duì)的交叉點(diǎn)定義得非常精確(見(jiàn)圖3)。單端信號(hào)位于邏輯1和邏輯0之間的交叉點(diǎn)受制于(舉例)噪聲、噪聲門限以及門限檢測(cè)問(wèn)題等等。

圖3 邏輯電平在差分信號(hào)交叉點(diǎn)的精確位置改變狀態(tài)