牛人關(guān)于差分信號(hào)與單端信號(hào)的精辟點(diǎn)評(píng)
牛人精辟辨析單端信號(hào)和差分信號(hào)
發(fā)布時(shí)間:2020-12-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】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。
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)。
差分與單端信號(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)
1、抗干擾能力強(qiáng)。干擾噪聲一般會(huì)等值、同時(shí)的被加載到兩根信號(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。
2、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。
3、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。
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(méi)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(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,我想我會(huì)專門寫(xiě)一些地方面的趣事。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)量不久高了嗎?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,他不久沒(méi)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)方進(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(méi)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~~嘿嘿 ,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(jiàn)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。
關(guān)于差分的五個(gè)常見(jiàn)誤區(qū)
1、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(méi)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。
2、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。
3、認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。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)用采用,被稱為CPW結(jié)構(gòu),可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制(2Z0)。
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?,引入共模噪聲。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。
4、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(kāi)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(méi)有邏輯意義。
5、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。
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