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    干货!差分信号

    时间:2022-12-07 16:35来源:硬件攻城狮 作者:ictest8_adit 点击:
    什么是差分?
    驱动端发送两个大小相等,方向相反的信号,接收端会有一个相减器,比较这两信号的差值,来判断逻辑位是0 或是1,承载差分信号的那一对走线,即称为差分走线,或差动对。图片
                                                                             图 1. 差动对
    上图是差动对示意图。两个大小相同,方向相反的信号,分别在两个导体上传输,其两信号的差,即为差分信号。用数学式表示 :图片

    如果用跷跷板来表示 :
    图片
                                                                              图 2. 跷跷板示意图
    所谓的正电压跟负电压,都是V1 跟V2比较出来的结果。
    这点跟传统的单端信号不一样。单端信号中,所谓的正电压或负电压,是跟GND ( 电位 = 0 ) 比较出来的。上面图1 也可以看成两个单端信号:图片

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                                     图 3. 双绞线
    日常生活中常见的双绞线,就是典型的差分信号,但它是立体3D的。该文主要还是针对平面式差动对来做探讨。

    为什么要用差分 ?
    使用差分信号的第一个好处,就是具错误更正效果。
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                                                                    图 4. 有噪声的单端信号
    由上图知道,如果在单端信号中有噪声,即VERROR,则会直接进入接收器,严重一点可能会造成逻辑误判。在那些对于时序有很精密要求的系统中,会有很重大的影响。
    图片
                                                   图 5. 有噪声的差分信号
    由(3)式知道,差分信号为两信号的差,因此图5 中,接收器接收到的信号为
    图片

    因为正信号跟负信号上的VERROR大小相等,因此(6)式的差分信号,其VERROR会被消除掉。若以图表示之 :
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                                               图 6. 有噪声的差分信号
    由图6 可知其差动对的噪声,会透过相减器消除,使输出信号干净无瑕。
    第二个好处,就是防EMI 干扰,不论是干扰别人或是被别人干扰,都可有效抑止。这也是为什么高速信号一般都用差分信号,以加强其信号完整性,将失真度降到最低。
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                                                                   图 7. 差分信号之耦合示意图
    B 跟C 为差分对,而A 为邻近的信号。在PCB 板面积极为有限的产品,例如手机,A 跟B、C 有可能会靠得很近,在这情况下,A 会把能量耦合到B跟 C,以S 参数表示,A 耦合到B 为SBA ,A 耦合到C 为SCA 。当B 跟C 够紧密时,则SBA = SCA ,而又因为B 跟C 的信号方向相反,所以SBA跟SCA是等量又反向,如此一来, SBA跟SCA会相消,这就是为何差动对可以防止被其他信号干扰之故。

    什时候使用差分?
    1. 信噪比很差时,也就是信号很微弱,或周遭噪声很高,例如LVDS ( Low-voltage differential signaling ) 。
    2. 当信号路径很长时。当然一般而言,信号路径是越短越好,既可减少损耗,又可防EMI 干扰,不论是干扰别人或是被别人干扰。但有些信号必须走PCB内层,以获得良好的?;な?,信号路径不得不长途跋涉。此时便需要用差分信号。
    而如果我们想要把单端信号跟差分信号,做互相转换的动作,便要透过Balun。

    怎样使用差分?
    当然差分信号,有其该注意的地方,否则便会发挥不出该有的优点。
    1. 两信号线要尽可能靠近
    2. 两信号线的间距须从头到尾一致
    3. 两信号需等长
    下面就来探讨,为什么若不遵循以上三点,差分信号会发挥不出该有的优点。
    根据克希荷夫电流定律 (Kirchhoff's current Laws-KCL),一个节点,只要有电
    流流出,便会有等量的电流进入,以下图为例 :
    图片
                                  图8. KCL
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    这表示任何信号都会有所谓的回流电流,使整体信号路径形成一个回路。以图9为例,当一个单端信号由发射端 (Tx)传送到接收端 (RX)时,会有一个回流电流经由GND 再回到Tx,使整体路径形成一个回路。
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                                  图9. 单端信号回流电流示意图

    而由图9 也知道,在形成回路过程中,会有电磁波辐射,进而产生EMI 干扰,而EMI 强度跟回路面积有关。所以为什么信号路径越短越好,主要原因就是回路面积缩小,其产生的EMI 干扰也跟着减弱。
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                                                                    图10. 差分信号回流电流示意图
    至于差分信号,其回流电流是沿着另一条信号,不会流过GND。因此为什么两信号线要尽可能靠近,在图7 说明过,可以防止信号被干扰。如果B 跟C 离太远,则 SBA > SCA,如此一来, SBA 跟SCA不会完全相消,会有残留的SBA,即B还是会受到A 的干扰。
    另外由图10 知,两信号线的间距,会决定回路面积,因此间距小,回路面积就小,产生的EMI 也小,不会去干扰别人。
    承上,那么差分信号的长度,也会决定回路面积,是不是差分信号的长度,越短越好 ? 答案是肯定的,我们在第6 页说过,信号路径是越短越好,既可减少损耗,又可防EMI 干扰,长途跋涉是不得不的选择,这点不管单端或差分信号都适用。另外,以图7 为例,其差分阻抗为2(Z0 - ZBC), Z0为特性阻抗,ZBC是来自B 跟C 的相互耦合所产生的阻抗,跟B C 间的间距有关,故两信号线的间距须从头到尾一致,这样ZBC才会固定,其差分阻抗2(Z0 - ZBC)也才会一致,避免因阻抗不匹配而导致反射。
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                                                                               图11. 不等长的差分信号
    严重减损的恶劣环境下,必须要用差分信号的走线,来使失真度降到最低。因此,如果今天信号在这些恶劣环境下,依然走单端形式,那么其信号完整性必定大大降低。图11 中,B 跟C 为差动对,A 为邻近信号。在length 1 中,B 跟C 靠得够近,因此不会去干扰A,也不会被A 干扰。同时,间距也一致,不会造成阻抗变化而导致反射。但是,因为B 跟C 的长度不同,导致length 2 中,只有B
    信号,这样就变成单端信号了。因为使用差分信号的环境,多半是对于信号完整性有严重减损的恶劣环境,若该环境下依然走单端形式,那么其信号完整性必定大大降低。因此在使用差分信号时,须严格要求两信号线长度一致。

    差分信号的缺点

    当然差分信号,也不是没有缺点,否则所有信号都一律走差分形式就好了。最主要是会造成走线跟零件的数量变两倍,导致成本增加,以及layout 的面积跟复杂度提高,因此,多半是关键的信号线才会走差分形式,例如数字高速信号。
    接地
    在此针对接地的概念,再做更详细说明。前面提到,任何信号都会有所谓的回流电流,使整体信号路径形成一个回路。单端信号的回流电流是经由GND,而单端信号中,所谓的正电压或负电压,是跟GND ( 电位 = 0 ) 比较出来的。因此若 GND 的电位非恒为0,则会造成ERROR V ,但差动对因为其回流电流是沿着另一条信号,不会流过GND,因此即使GND 的电位非恒为0,也不会影响其信号的电压,就算有ERROR V ,由图6 可知,也会透过相减器消除。
    另外,若是GND 离单端信号太远,则会使回路面积变大,导致产生的EMI 干扰也跟着变大?;蚴荊ND 有不连续面,其单端信号的信号完整性也会跟着受到影
    响,然而由于差动对因为其回流电流不会流过GND,因此即便GND 有不连续面,其差动对的信号完整性也不会有太大影响。
    那么,如果GND 离差分信号太远,会如同单端信号一样,导致EMI干扰也跟着变大吗?
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                                                                      图12. 差动对的感应电流
    差动对的回流电流,固然不会经过GND,但是依然会在下方的GND Plane,感
    应出一个相反方向的电流回路,其感应电流的回路面积跟上方的差动对回路面积成正比,因此差分信号的间距要尽可能小,走线长度要尽可能缩短,这样差动对回路面积才会小,其下方感应电流的回路面积跟着变小,使产生的EMI 干扰降到最低。
    或许有人问,那可以把下方的GND Plane 拿掉吗? 这样就不会有感应电流回路,否则一但差动对的回路面积过大,则感应电流的回路面积跟着过大,等于有两个EMI 干扰来源。答案是不行,除非有办法保证差动对的长度,可以完全等长,否则一旦差动对的长度有些许的差异,如同图11 的length 2,则会变成单端信号,而单端信号的回流电流会经过GND,若把下方的GND Plane 拿掉,那么该单端信号的回流电流,会自己绕远路,去寻找远方的GND,来形成一个回路,这样等于是让回路面积加大,其EMI 的干扰会跟着加大。
    因此,再回到13 页的问题,如果GND 离差分信号太远,其EMI 干扰会变大吗?
    答案是会,除非有办法保证差动对的长度,可以完全等长,否则会变成单端信号,如此的话,回路面积加大,其EMI 的干扰会跟着加大。
     

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