乾貨!差分信號簡介

什麼是差分？

驅動端發送兩個大小相等，方向相反的信號，接收端會有一個相減器，比較這兩信號的差值，來判斷邏輯位是0 或是1，承載差分信號的那一對走線，即稱為差分走線，或差動對。

圖 1. 差動對

上圖是差動對示意圖。兩個大小相同，方向相反的信號，分別在兩個導體上傳輸，其兩信號的差，即為差分信號。用數學式表示 :

如果用蹺蹺板來表示 :

圖 2. 蹺蹺板示意圖

所謂的正電壓跟負電壓，都是V1 跟V2比較出來的結果。
這點跟傳統的單端信號不一樣。單端信號中，所謂的正電壓或負電壓，是跟GND ( 電位 = 0 ) 比較出來的。上面圖1 也可以看成兩個單端信號：

圖 3. 雙絞線

日常生活中常見的雙絞線，就是典型的差分信號，但它是立體3D的。該文主要還是針對平面式差動對來做探討。

為什麼要用差分 ?

使用差分信號的第一個好處，就是具錯誤更正效果。

圖 4. 有噪聲的單端信號

由上圖知道，如果在單端信號中有噪聲，即VERROR，則會直接進入接收器，嚴重一點可能會造成邏輯誤判。在那些對於時序有很精密要求的系統中，會有很重大的影響。

圖 5. 有噪聲的差分信號

由(3)式知道，差分信號為兩信號的差，因此圖5 中，接收器接收到的信號為

因為正信號跟負信號上的VERROR大小相等，因此(6)式的差分信號，其VERROR會被消除掉。若以圖表示之 :

圖 6. 有噪聲的差分信號

由圖6 可知其差動對的噪聲，會透過相減器消除，使輸出信號乾淨無瑕。
第二個好處，就是防EMI 幹擾，不論是幹擾別人或是被別人幹擾，都可有效抑止。這也是為什麼高速信號一般都用差分信號，以加強其信號完整性，將失真度降到最低。

圖 7. 差分信號之耦合示意圖

B 跟C 為差分對，而A 為鄰近的信號。在PCB 板面積極為有限的產品，例如手機，A 跟B、C 有可能會靠得很近，在這情況下，A 會把能量耦合到B跟 C，以S 參數表示，A 耦合到B 為SBA ，A 耦合到C 為SCA 。當B 跟C 夠緊密時，則SBA = SCA ，而又因為B 跟C 的信號方向相反，所以SBA跟SCA是等量又反向，如此一來， SBA跟SCA會相消，這就是為何差動對可以防止被其他信號幹擾之故。

什時候使用差分?

1. 信噪比很差時，也就是信號很微弱，或周遭噪聲很高，例如LVDS ( Low-voltage differential signaling ) 。

2. 當信號路徑很長時。當然一般而言，信號路徑是越短越好，既可減少損耗，又可防EMI 幹擾，不論是幹擾別人或是被別人幹擾。但有些信號必須走PCB內層，以獲得良好的保護時，信號路徑不得不長途跋涉。此時便需要用差分信號。

而如果我們想要把單端信號跟差分信號，做互相轉換的動作，便要透過Balun。

怎樣使用差分?

當然差分信號，有其該注意的地方，否則便會發揮不出該有的優點。
1. 兩信號線要儘可能靠近
2. 兩信號線的間距須從頭到尾一致
3. 兩信號需等長
下面就來探討，為什麼若不遵循以上三點，差分信號會發揮不出該有的優點。
根據克希荷夫電流定律 (Kirchhoff's current Laws-KCL)，一個節點，只要有電

流流出，便會有等量的電流進入，以下圖為例 :

圖8. KCL

這表示任何信號都會有所謂的回流電流，使整體信號路徑形成一個迴路。以圖9

為例，當一個單端信號由發射端 (Tx)傳送到接收端 (RX)時，會有一個回流電流經由GND 再回到Tx，使整體路徑形成一個迴路。

圖9. 單端信號回流電流示意圖

而由圖9 也知道，在形成迴路過程中，會有電磁波輻射，進而產生EMI 幹擾，而EMI 強度跟迴路面積有關。所以為什麼信號路徑越短越好，主要原因就是迴路面積縮小，其產生的EMI 幹擾也跟著減弱。

圖10. 差分信號回流電流示意圖

至於差分信號，其回流電流是沿著另一條信號，不會流過GND。因此為什麼兩信號線要儘可能靠近，在圖7 說明過，可以防止信號被幹擾。如果B 跟C 離太遠，則 SBA > SCA，如此一來， SBA 跟SCA不會完全相消，會有殘留的SBA，即B還是會受到A 的幹擾。
另外由圖10 知，兩信號線的間距，會決定迴路面積，因此間距小，迴路面積就小，產生的EMI 也小，不會去幹擾別人。
承上，那麼差分信號的長度，也會決定迴路面積，是不是差分信號的長度，越短越好 ? 答案是肯定的，我們在第6 頁說過，信號路徑是越短越好，既可減少損耗，又可防EMI 幹擾，長途跋涉是不得不的選擇，這點不管單端或差分信號都適用。 另外，以圖7 為例，其差分阻抗為2(Z0 - ZBC)， Z0為特性阻抗，ZBC是來自B 跟C 的相互耦合所產生的阻抗，跟B C 間的間距有關，故兩信號線的間距須從頭到尾一致，這樣ZBC才會固定，其差分阻抗2(Z0 - ZBC)也才會一致，避免因阻抗不匹配而導致反射。

圖11. 不等長的差分信號

嚴重減損的惡劣環境下，必須要用差分信號的走線，來使失真度降到最低。因此，如果今天信號在這些惡劣環境下，依然走單端形式，那麼其信號完整性必定大大降低。圖11 中，B 跟C 為差動對，A 為鄰近信號。在length 1 中，B 跟C 靠得夠近，因此不會去幹擾A，也不會被A 幹擾。同時，間距也一致，不會造成阻抗變化而導致反射。但是，因為B 跟C 的長度不同，導致length 2 中，只有B
信號，這樣就變成單端信號了。因為使用差分信號的環境，多半是對於信號完整性有嚴重減損的惡劣環境，若該環境下依然走單端形式，那麼其信號完整性必定大大降低。因此在使用差分信號時，須嚴格要求兩信號線長度一致。

差分信號的缺點

當然差分信號，也不是沒有缺點，否則所有信號都一律走差分形式就好了。

最主要是會造成走線跟零件的數量變兩倍，導致成本增加，以及layout 的面積跟複雜度提高，因此，多半是關鍵的信號線才會走差分形式，例如數字高速信號。

接地

在此針對接地的概念，再做更詳細說明。前面提到，任何信號都會有所謂的回流電流，使整體信號路徑形成一個迴路。單端信號的回流電流是經由GND，而單端信號中，所謂的正電壓或負電壓，是跟GND ( 電位 = 0 ) 比較出來的。因此若 GND 的電位非恆為0，則會造成ERROR V ，但差動對因為其回流電流是沿著另一條信號，不會流過GND，因此即使GND 的電位非恆為0，也不會影響其信號的電壓，就算有ERROR V ，由圖6 可知，也會透過相減器消除。
另外，若是GND 離單端信號太遠，則會使迴路面積變大，導致產生的EMI 幹擾也跟著變大。或是GND 有不連續面，其單端信號的信號完整性也會跟著受到影
響，然而由於差動對因為其回流電流不會流過GND，因此即便GND 有不連續面，其差動對的信號完整性也不會有太大影響。

那麼，如果GND 離差分信號太遠，會如同單端信號一樣，導致EMI幹擾也跟著變大嗎?

圖12. 差動對的感應電流

差動對的回流電流，固然不會經過GND，但是依然會在下方的GND Plane，感
應出一個相反方向的電流迴路，其感應電流的迴路面積跟上方的差動對迴路面積成正比，因此差分信號的間距要儘可能小，走線長度要儘可能縮短，這樣差動對迴路面積才會小，其下方感應電流的迴路面積跟著變小，使產生的EMI 幹擾降到最低。
或許有人問，那可以把下方的GND Plane 拿掉嗎? 這樣就不會有感應電流迴路，否則一但差動對的迴路面積過大，則感應電流的迴路面積跟著過大，等於有兩個EMI 幹擾來源。答案是不行，除非有辦法保證差動對的長度，可以完全等長，否則一旦差動對的長度有些許的差異，如同圖11 的length 2，則會變成單端信號，而單端信號的回流電流會經過GND，若把下方的GND Plane 拿掉，那麼該單端信號的回流電流，會自己繞遠路，去尋找遠方的GND，來形成一個迴路，這樣等於是讓迴路面積加大，其EMI 的幹擾會跟著加大。
因此，再回到13 頁的問題，如果GND 離差分信號太遠，其EMI 幹擾會變大嗎?

答案是會，除非有辦法保證差動對的長度，可以完全等長，否則會變成單端信號，如此的話，迴路面積加大，其EMI 的幹擾會跟著加大。

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