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探索单端和差分信号之间的差异
探索单端和差分信号之间的差异
低速数字接口，一些中等高速组件以及RF信号线将使用单端信号。
相反，诸如网络协议和计算机外围设备接口之类的高速数字接口则使用差分信令。
差分信号的长度匹配并且受到阻抗控制，以确保在接收器处消除共模噪声。
像这样的复杂板可能会使用差分信号在组件之间发送数据
在过去的几天里，如果您使用的电话插在墙上，您可能会听到其他人的谈话渗入您的电话线。今天，我们在使用差分对的高速PCB设计中解决了这个以及其他信号完整性问题。并不是所有组件都将使用差分信令，而是差分对是高速数字信令协议使用的主要路由方式，包括标准计算接口（如USB）和网络接口（如以太网）。
单端信号和差分信号之间的差异在物理布局级别上很简单，但在信号级别以及驱动器/接收器组件功能方面却可能很复杂。如果您是第一次使用差分信令，请阅读我们的指南以了解有关此信令方法的更多信息。掌握了差分对路由之后，您将具备使用一些最高速度的计算接口进行设计所需的基础知识。
什么是单端和差分信号？
单端和差分信令是在组件之间传输数据的两种方法。如今，数字接口已标准化为使用以下一种信令方法：低速协议使用单端信令，而高速协议使用差分信令，尽管某些低速协议仍使用差分信令。这两种类型的信令和路由可以与各种拓扑一起使用。
单端信号很容易理解：HIGH电平升至逻辑电平（5 V，3.3 V等），而LOW电平则定义为零。差分对是不同的；差分对的每一侧都承载相同幅度的信号，但极性相反。在接收器处，通过获取每条线上信号电平之间的差异来恢复信号。
接收器组件的差分信号恢复
成功的读出和信号恢复要求线对的长度在一定的小公差范围内精确匹配。这样做的好处是，如上概念图所示，读取信号时将消除共模噪声。这要求遵循所有差分信号的一些基本路由要求。
单端和差分对路由
下表显示了差分对布线和布局的一般要求。还显示了单端信令要求以进行比较。
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差分对 |
单端 |
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阻抗 |
-指定特性和差分阻抗。 |
-仅指定特性阻抗。 |
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长度匹配 |
-一对中的每条迹线之间都是必需的。 -在并行总线上的多对之间是必需的。 |
-仅在并行总线或与源同步时钟匹配时才需要。 |
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信号读出 |
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接收器端接 |
线对之间的平行端接（高Z）。 |
分流器端接至接地层（高阻态Z）。 |
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信令标准示例 |
USB，以太网，RS-232，RS-485，HDMI |
I2C，SPI，GPIO |
差分对的信号读取和恢复过程说明了这样的事实，即两对信号携带相等且相反极性的信号。这种简单的想法和差分对中的并行布线解决了高速PCB设计中的一些重要信号完整性问题。
差分信号可以解决什么
如果您查看高速信令标准，将会发现主要使用差分对路由。差分对很有用，主要有两个原因：
共模噪声。差分对在接收器中被读出为两对信号电平之间的差异。换句话说，任何共模噪声将在接收机处减去，并且不会干扰接收到的信号。这包括可能从单端信号接收到的共模串扰。我们将在下面更详细地说明这一点。
缺乏一致的参考。差分对不需要统一的接地层即可提供受控的差分阻抗。而是，两对彼此引用。有趣的是，如果计算差分对的Z参数，则会发现自阻抗和耦合阻抗都发散到无穷大，但是两者之间的差是一个常数。
下图显示了低压差分信号（LVDS）中使用的驱动器和接收器级。在此，线对周围没有接地层。因为信号具有相同的幅度和相反的极性，所以电场在差分对的每一侧终止。这个特定的图表很不错，因为它说明了在类似UTP电缆上的以太网之类的标准（例如，Cat5）中看到的情况，该情况在互连的重要部分可能没有任何接地。
LVDS差分通道示例
在此示例中，使用LVDS时，接收器端的阻抗为100 Ohm，该阻抗等于线对的差分阻抗。这样可以消除接收器端差分信号中的反射。由于差分接收器具有高输入阻抗，因此将端接器与输入并联放置，将注入的电流转换为可以在接收器处恢复的电压。
差分信号无法解决的问题
重要的是要注意，差分对并不是解决所有信号完整性问题的灵丹妙药。差分对可能会遇到一些与单端走线相同的信号完整性问题，但是它们以不同的方式表现出来。这是差分对所遇到的广泛的信号完整性问题。
差分模式噪声和差分串扰。与普遍的看法相反，差分对产生串扰，并且容易受到串扰的影响。特别是，在两个差分对之间会产生差分串扰，这将干扰接收器的信号恢复。
EMI接收。差分信号不受所有EMI的影响是另一个神话。这是不正确的。差分信号仍然可以从外部源接收辐射EMI，但是只有差分模式噪声会影响接收器。
EMI辐射。与前一点相似，差分对确实会发出电磁辐射，该电磁辐射可以作为其他互连中的共模噪声接收。但是，成对的每条迹线的场极性相反，因此，当成对的密度较高时，发射的辐射会更弱。
信号失真。当信号沿互连线传播时，会遭受损耗和色散，这两者都会造成信号失真。就像单端信号一样，差分信号也会遭受信号失真。
在两种信令中，靠近走线的参考平面都可以解决一个问题，它可以屏蔽EMI。通过允许磁场线终止于参考平面，它还为走线周围的一些返回电流提供了一个位置。参考平面还定义了差分对以及单端信号中每个迹线的单端阻抗（特性阻抗）。布线工具可以帮助您在差分对中实施长度匹配，同时在布线PCB布局时保持受控的阻抗。