信號完整性理論之差分訊號

什麼是傳輸線，什麼是信號完整性分析，為什麼傳輸線要測試差分訊號，經常有人問小編這個問題，今天我們就逐項解惑。

傳輸線（Transmission Line）可以把能量從一端傳送到另一端。傳輸線的功能體現也是非常多樣化的，例如，PCB 上的走線、雙絞線、同軸電纜等等。傳輸線的結構如下圖所示，可以看到信號路徑和參考路徑組成了傳輸線。

傳輸線的結構示意圖

傳輸線上的電磁波按照傳輸的模式分類，可以將其劃分成三種不同的波：

TEM 波：電磁場分別與電場和磁場在傳播方向是有一個垂直對應關係。

TE 波：在傳播方向上的關係是，電場垂直於電磁場，僅存在磁場分量。

TM 波：在傳播方向上的關係是，磁場垂直於電磁波，僅存在電場分量。

根據不同的電磁波有不同的傳輸線主要有以下幾種：

橫電磁波傳輸線，如下圖所示

波導傳輸線，如下圖所示

表面波傳輸線，如下圖所示

無論傳輸線是什麼形式，什麼傳播方式，傳輸線要實現信號的傳輸必須滿足以下條件：

用較小的傳輸損耗並且要求較高的傳輸率；

為了加大傳送信息的容量並且可以使信號完整準確的傳輸，需要滿足較高的工作頻帶； 如果大功率的情況時，就需要大的傳輸功率；

體積小，輕便，易加工以及易安裝。

隨著信號速率的提高，差分互連得到越來越多的應用。實際上差分對是具有耦合的傳輸線，其主要用的是差分信號的特徵，用差分對來實現。差分信號利用兩個輸出驅動來驅動兩條傳輸線。其中一根攜帶信號，另一根攜帶它的互補信號，兩條傳輸線上面的壓差就是需要傳輸的信息。

在差分信號的傳輸過程中，主要是以兩條傳輸線為傳輸載體，差分驅動器輸出的是邊緣能夠對齊的兩個信號，但是正好方向相反，如下圖所示。兩個高速信號分別傳輸，接收端在信號抵達接收器時對兩個信號作差分檢測，得到的差值就是差分信號。

差分訊號示意圖

在接收端，線 1 的電壓是V1，線 2 的電壓是V2 。通過放大器可以得到 1 和 2之間的壓差，由此可以恢復差分信號：

在上面的式子中，Vdiff  —差分信號  

V1 —線 1 相對於共用返迴路徑的信號電壓  

V2 —線 2 相對於共用返迴路徑的信號電壓  

除了差分信號，共模信號也是電路中存在的[40]，其可以用兩條線上的平均電 壓來表示，定義為：    

在上面的式子中，Vcom—共模信號。

理想狀態，共模信號被認為是沒有變化的。共模信號由於不帶有信息，所以不影響信號完整性和系統性能。所以接收端要想準確的接收差分信號，必須要有共模抑制的功能。除此之外，在一定條件下，差分傳輸的抗幹擾能力好於單端信號

，差分和共模信號分量都是屬於高速信號，如下圖所示，差分信號在-0.25 到 +0.25 之間。因此傳輸線上的差分信號電壓就是 0.5V。

差分信號分量以及共模信號分量

差分傳輸之所以能夠抗幹擾，這是因為對兩個單端信號進行差分檢測的時候，其噪聲有可能會抵消。只要外界對差分對中兩個單端信號上的幹擾基本一致，就不會影響差分信號的傳輸。所以無論採取何種走線方式，關鍵是要控制兩條傳輸線周圍環境基本一致，並儘量減少其他信號幹擾。

差分信號的傳輸需要一對傳輸線來實現，那麼這對傳輸線又叫做差分對。能夠用單端傳輸線組成差分對的兩條傳輸線。

和單端傳輸線相類似，差分對傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見的幾種截面幾何外形。

有很多方面的因素都會影響信號的完整性。就像信號的上升時間縮短、不同的信號通道之間時延不一樣、頻率發生變化、互聯通道沒有達到理想狀態以及外部環境發生變化等都會影響信號完整性。然而本質原因，是因為信號的上升時間縮短。這樣的話，隨著上升時間越來越短，傳輸信號中不可避免的就會產生更多的高頻分量，由於高頻分量與通道之間會產生相互影響，這樣就有可能給信號帶來許多不可預知的畸變。

 

幾乎全部的信號完整性問題能夠分成下面 3 種問題的影響：時序、噪聲、電磁幹擾。

 

在時序內對信號完整性進行研究其實就是一個比較複雜的領域。一個時鐘內，肯定會發生一定量的操作，所以需要在時間預算中劃分出一小段時間並把這些時間分配給各種不同的操作。雖然時序是影響信號完整性的一個因素，但是我們一般主要是對噪聲部分的問題進行的研究。

 

噪聲部分又可以分為阻抗不連續、耦合、串擾、反射、振鈴等等，這些因素之間還會相互影響相互制約，所以對信號完整性的研究是一個綜合平衡各種因素的過程。

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