單端、差分、差模、共模信號的愛恨情仇

2020-12-12 線纜行業朋友分享圈

老鐵們記得咋們接觸到單端信號和差分信號是在什麼地方嗎？沒錯，就是在模電中，我想大家對這兩個概念有些模糊，今天給大家細細的講講，特別適用於工程項目中。

差分放大電路

這是雙端輸入、雙端輸出的差分放大電路，什麼叫雙端、單端我想大家應該是知道的。今天我們講的內容一般是基於此的。

單端信號

單端信號就是只用一根線傳輸信號，外加一根參考線，也就是地線，如下圖所示。所以單端信號的優點就是成本低，可以說單端信號線上傳輸的信號就是信號線和地線之間電位差，這樣的話其缺點就是優點造成的，即抗幹擾能力比較差。這句話如何證明呢？

證明：單端信號的抗幹擾能力比較差

單端傳輸線

1.地電勢差的波動影響：一條信號傳輸線上A點和B點對地電勢差應該一致，不一致就會出現問題。假設A點電勢高於B點，在信號線上就會形成微小的壓差，也就會產生微弱的電流。恰恰就是這微弱的電流使我們的信號發生幹擾。

2.地端電流的大小影響信號的幅值波動：地端的電流是動態的，忽大忽小，因此具有一定的波動，所以單端信號對地電壓也會發生波動，這種波動會影響信號的幅度，從而信號質量會大大降低。

單端傳輸線和差分傳輸線比較

所以，一般單端信號用於低頻電路中，適合於高幅度信號，不適合於低幅信號。

差分信號

差分信號常用於高速電路中，例如 LVDS（低電壓差分信號）。差分信號如上圖的下半部分，顧名思義，差分信號就是兩條信號線。然而「差分」這兩個字所謂何意呢？

差分（difference） 又名差分函數或差分運算，差分的結果反映了離散量之間的一種變化，是研究離散數學的一種工具。

它將原函數f(x) 映射到f(x+a)-f(x+b) ，根據這個公式可以推出差分輸出信號如何計算了，所以看到上面的圖片可以推出輸出信號的幅度為什麼會是那個樣子。

所以差分信號的兩條傳輸線會隨著地端同時變化，因此其差值是固定的，因此證明出差分信號的抗幹擾能力比較強，同時噪聲也會被同時加載到兩條傳輸線上，其差值也為零。這些理論大家要到實際工程中才能驗證，如果自己有條件，可以去實驗室搭幾個電路來驗證一下是極好的，可惜老師不會給你講這些真正用得到的知識，因為他們沒有做過工程，他們也不知道有這回事兒。

另外，兩條傳輸線也會抑制電磁幹擾（EMI），原理為：兩根線靠得很近且信號幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場的幅值也相等，同時他們的信號極性相反，其電磁場將相互抵消。因此對外界的電磁幹擾也小。

而且，差分信號時序定位準確，差分信號的接受端是兩根線上的信號幅值之差發生正負跳變的點，作為判斷邏輯 0/1 跳變的點的。而普通單端信號以閾值電壓作為信號邏輯0/1 的跳變點，受閾值電壓與信號幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號。

差分信號也有缺點，其缺點也是其優點造成的：在PCB設計時，單端信號可以只有一根信號線，地線走地平面。然而差分信號一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線，這樣會發生走線密集的情況。

所以有時候我們也需要進行下面的工作。

單端轉差分

使用單端轉差分轉換電路即可，這種情況是因為信號頻率很高或者對於信號質量要求比較高的的場合，單端信號不能滿足要求，所以要換成差分的。

單端信號轉差分信號

差分轉單端

同理，使用特定的電路就能轉換，電路已經很成熟，但是我們要明白，為什麼要轉換？許多應用都需要使用低功耗、高性能的差分放大器，因此需要將小差分信號轉換成可讀的接地參考輸出信號。

差分信號轉單端信號電路例圖

講到這裡，我想我們還沒有結束！我突然想起差模和共模的概念了，我想大家也是有點蒙，不要和單端差分混淆了。

共模信號和差模信號

共模信號和差模信號這兩個概念多用於差分電路如（差分放大電路），單獨一根信號線沒法談共模差模，兩根信號線才會有差模信號共模信號的說法，分別描述了這兩根信號線電位與地線電位之差（共模）和這兩根信號線電位之差（差模），這裡和單端信號和差分信號有一些類似。

差模信號計算公式：(V1-V2）/2 。

共模信號計算公式：（V1+V2）/2 。

共模幹擾和差模幹擾

共模幹擾就是指兩條信號線與地之間的幹擾信號，差模幹擾就是兩條信號線間的幹擾信號。信號都是差模形式的，所有的幹擾都是抗共模幹擾的。

1.傳導幹擾（傳導噪聲）。主要就是地端電位不穩定帶來幹擾，地端電位如果發生抖動，那地端與信號線間的電壓就會不穩定也就是共模電壓不穩定，即產生了共模幹擾。若兩根線上的共模幹擾電壓不一致則還會使這兩根信號線的差值發生抖動，引起差模幹擾。我們常將信號線做成雙絞線（差分輸入）的原因就是讓兩根信號線的空間位置相對接近使它倆的共模幹擾電壓一致從而儘可能的消除了差模幹擾，減小誤差。

2.空間耦合幹擾（輻射噪聲）。空間中變化的電磁場在信號線上產生壓降帶來共模和差模幹擾。

共模抑制比

用來說明差分放大電路抑制共模信號及放大差模信號的能力，常用共模抑制比作為一項技術指標來衡量，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數 Aud 與對共模信號的電壓放大倍數Auc 之比，稱為共模抑制比。

差模信號與共模信號的轉化

傳輸線中不僅存在傳播信息的差模信號，還有不傳播信息的共模信號，理想情況是不存在相互轉化的，但是理想很豐滿，現實很骨感。

差模信號與共模信號的轉化是由於差分傳輸線不對稱造成的，造成不對稱的原因很多，差分傳輸線的長度差像拐角、差分傳輸線由於刻蝕差異造成傳輸線特性阻抗不同、兩個傳輸線的差異性耦合、臨近效應、終端差異，彎曲等等都可能是造成差模信號與共模信號的轉化。

這種轉化我們可以理解為兩條傳輸線的延遲是不同的，當信號在傳輸線上傳播由於到達終端的延遲是不同的，一個早一些到達，這樣就會產生相位差，將部分差模信號轉化成共模信號。轉化的為共模信號的多少由信號頻率、傳輸線的長度、兩條傳輸線上的信號時延差所決定的。

是有些複雜了，不過大家理解到這些在項目上應該是夠用了的

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