搞懂差分信號和單端信號,就差在看這張圖!

2020-12-13 電子工程專輯


一個差分信號是用一個數值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對於另一個電壓而言的。在某些系統裡，系統'地'被用作電壓基準點。當'地'當作電壓測量基準時，這種信號規劃被稱之為單端的。我們使用該術語是因為信號是用單個導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體上。信號值是兩個導體間的電壓差。儘管不是非常必要，這兩個電壓的平均值還是會經常保持一致。
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。繼續蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負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。
應用到電學上，這兩個蹺蹺板用一對標識為V+和V-的導線來表示。當V+>V-時，信號定義成正極信號，當V+<V-時，信號定義成負極信號。
圖2 差分對圍繞擺動的平均電壓設置成 2.5V。當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範圍。當用單一 5V 電源操作時，經常就會出現這種情況。
當不採用單端信號而採取差分信號方案時，我們用一對導線來替代單根導線，增加了任何相關接口電路的複雜性。那麼差分信號提供了什麼樣的有形益處，才能證明複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'電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準，單端信號方案的系統裡，測量信號的精確值依賴系統內'地'的一致性。信號源和信號接收器距離越遠，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復的信號值在很大程度上與'地'的精確值無關，而在某一範圍內。
差分信號的第二個主要好處是，它對外部電磁幹擾（EMI）是高度免疫的。一個幹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體上出現的任何同樣幹擾。除了對幹擾不大靈敏外，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，能夠從容精確地處理'雙極'信號。為了處理單端，單電源系統的雙極信號，我們必須在地和電源幹線之間某任意電壓處（通常是中點）建立一個虛地。用高於虛地的電壓來表示正極信號，低於虛地的電壓來表示負極信號。接下來，必須把虛地正確地分布到整個系統裡。而對於差分信號，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、差模或共模。
單模是我們最熟悉的。它包括介於驅動器與接收器之間的單根導線或走線，信號沿走線傳播並從地返回。
這裡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迴路徑(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生它們。它們通常是由從其它(鄰近或外部)源耦合進電路的噪聲引起的。一般來講，結果 最好情況是中性的，最壞情況是具有破壞性的。共模信號能夠產生幹擾電路正常運行的噪聲，並且是常見的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點：如果沒有通過地的返回信號， 地迴路的連續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字器件，就無需擔心跨越電源邊界，平面不連續等等問題。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，那麼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於信號電平非常低的系統的輸入級。
差分接收器往往對輸入信號電平的差敏感，但是常常被設計為對輸入的共模偏移不敏感。因此在強噪聲環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幹擾的信號為參考)，差分信號(彼此互為參考)的翻轉時序可以更精確地設定。差分對的交叉點定義得非常精確(見圖3)。單端信號位於邏輯1和邏輯0之間的交叉點受制於(舉例)噪聲、噪聲門限以及門限檢測問題等等。


（免責聲明：整理本文出於傳播相關技術知識，版權歸原作者所有。）

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