搞懂差分信號和單端信號，就差在看這張圖！

時間：2020-05-06 22:51:32

關(guān)鍵字：差分信號 EMI 回路信號定義

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[導(dǎo)讀]一個差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)'地'被用作電壓基準(zhǔn)點。當(dāng)'地'當(dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該

一個差分信號是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)'地'被用作電壓基準(zhǔn)點。當(dāng)'地'當(dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時，這種信號規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因為信號是用單個導(dǎo)體上的電壓來表示的。

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

我們用一個方法對差分信號做一下比喻，差分信號就好比是蹺蹺板上的兩個人，當(dāng)一個人被蹺上去的時候，另一個人被蹺下來了 - 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 表示兩個人都是同一水平。

圖1 用蹺蹺板表示的差分信號

應(yīng)用到電學(xué)上，這兩個蹺蹺板用一對標(biāo)識為V+和V-的導(dǎo)線來表示。當(dāng)V+>V-時，信號定義成正極信號，當(dāng)V+<V-時，信號定義成負(fù)極信號。

圖2 差分信號波形和單端等價

圖2 差分對圍繞擺動的平均電壓設(shè)置成 2.5V。當(dāng)該對的每個信號都限制成 0-5V 振幅時，偏移該差分對會提供一個信號擺動的最大范圍。當(dāng)用單一 5V 電源操作時，經(jīng)常就會出現(xiàn)這種情況。

當(dāng)不采用單端信號而采取差分信號方案時，我們用一對導(dǎo)線來替代單根導(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？

差分信號的第一個好處是，因為你在控制'基準(zhǔn)'電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準(zhǔn)，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)'地'的一致性。信號源和信號接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大程度上與'地'的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。

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

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

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

這里最難理解的是共模信號。它既可以包括單端走線也可以包括兩個(可能更多)差分走線。同樣的信號沿走線以及返回路徑(地)或者沿差分對中的兩根走線流動。大部分人往往對共模信號不熟悉，因為我們自己從來不會故意產(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。共模信號能夠產(chǎn)生干擾電路正常運行的噪聲，并且是常見的EMI 問題的來源。差分信號相比單端信號有一個顯著的缺點：需要兩根走線而不是一根，或者兩倍的電路板面積。但是差分信號有幾個優(yōu)點：如果沒有通過地的返回信號，地回路的連續(xù)性相對就變得不重要了。因此，假如我們有一個模擬信號通過差分對連接到數(shù)字器件，就無需擔(dān)心跨越電源邊界，平面不連續(xù)等等問題。差分器件的電源分割也更容易處理。差分電路在低壓信號的應(yīng)用中是非常有益的。如果信號電平非常低，或者如果信噪比是個問題，那么差分信號可以有效地倍增信號電平(+v-(-v)=2v)。差分信號和差分放大器通常用于信號電平非常低的系統(tǒng)的輸入級。

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

相比單端信號(以一個不太精確的受電路板其他位置的噪聲的干擾的信號為參考)，差分信號(彼此互為參考)的翻轉(zhuǎn)時序可以更精確地設(shè)定。差分對的交叉點定義得非常精確(見圖3)。單端信號位于邏輯1和邏輯0之間的交叉點受制于(舉例)噪聲、噪聲門限以及門限檢測問題等等。

圖3 邏輯電平在差分信號交叉點的精確位置改變狀態(tài)

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