為什么高速接口用差分訊號

差分信號的傳輸需要一對傳輸線來實現(xiàn)，那么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。

隨著信號速率的提高，差分互連得到越來越多的應(yīng)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征，用差分對來實現(xiàn)。差分信號利用兩個輸出驅(qū)動來驅(qū)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?shù)男畔ⅰＴ诓罘中盘柕膫鬏斶^程中，主要是以兩條傳輸線為傳輸載體，差分驅(qū)動器輸出的是邊緣能夠?qū)R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(dá)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。差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來EMI和眼圖等問題，上升沿速度越快，其對差分長度匹配要求越高.

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(fù)差分信號：

在上面的式子中，Vdiff —差分信號

V1 —線 1 相對于共用返回路徑的信號電壓

V2 —線 2 相對于共用返回路徑的信號電壓

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(tài)，共模信號被認(rèn)為是沒有變化的。共模信號由于不帶有信息，所以不影響信號完整性和系統(tǒng)性能。所以接收端要想準(zhǔn)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?shù)目垢蓴_能力好于單端信號

，差分和共模信號分量都是屬于高速信號，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干擾，這是因為對兩個單端信號進(jìn)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干擾基本一致，就不會影響差分信號的傳輸。所以無論采取何種走線方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線周圍環(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號干擾。理想情況下，差分信號是正負(fù)對稱的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線的正負(fù)傳輸線長度不等，造成傳輸時間不一致，實際上就是信號在時間軸上的不對稱，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時的正負(fù)波形不能嚴(yán)格對稱，差分電路中的正負(fù)電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動。如果研究過EMI的人都知道，共模輻射是最難對付的。

圖1

圖2

為什么高速接口都用差分訊號

1. 核心原因：卓越的抗噪聲能力（共模噪聲抑制）

這是差分信號最強大、最核心的優(yōu)勢。

• 單端信號的困境：

• • 單根信號線（Single-ended）以地為參考。信號值（0或1）是信號線與地之間的電壓差。一根信號線+地線構(gòu)成回路，信號值=導(dǎo)線對地電壓（如3.3V=邏輯“1”）。致命傷：兩地電位差直接疊加信號（如A點發(fā)送1V，B點地電位高0.2V → 接收0.8V）。

  • 當(dāng)信號線在PCB上或電纜中長距離傳輸時，它就像一根天線，會很容易拾取外部的電磁干擾（EMI），例如來自電源、射頻設(shè)備或其他信號線的噪聲。

  • 這些噪聲會直接疊加在原始信號上。接收端無法區(qū)分哪部分是原始信號，哪部分是噪聲，從而導(dǎo)致誤判，產(chǎn)生錯誤。

• 差分信號的工作原理：

• • 電壓差 = (D+) - (D-) = +V - (-V) = +2V （邏輯 ‘1’）

  • 電壓差 = (D+) - (D-) = -V - (+V) = -2V （邏輯 ‘0’）

  • 發(fā)送 ‘1’：(D+) = +V, (D-) = -V

  • 發(fā)送 ‘0’：(D+) = -V, (D-) = +V

  • 差分信號使用兩根線（D+和D-）來傳輸一個信號。這兩根線緊密地布在一起（通常并行且等長）。雙線（如D+/D-）傳輸?shù)确聪嘈盘枺邮斩藘H識別電壓差（如D+1.8V、D-1.5V → 邏輯“1”）。抗干擾核心：雙線噪聲同步抵消，地電位波動無影響。

  • 發(fā)送端產(chǎn)生兩個幅度相等、相位相反的信號。

  • 接收端不關(guān)心對地的電壓，而是檢測兩根線之間的電壓差。

• 如何抑制噪聲？

• • 接收端收到的信號變?yōu)椋?D+ + ΔV) 和 (D- + ΔV)

  • 接收端計算的電壓差 = (D+ + ΔV) - (D- + ΔV) = D+ - D-

  • 當(dāng)外部噪聲（例如一個電磁脈沖）來襲時，由于兩根線緊密相鄰，它們會同時、等量地被影響到。這種同時影響兩根線的噪聲稱為共模噪聲。

  • 假設(shè)一個噪聲ΔV同時耦合到兩根線上：

  • 看，噪聲ΔV被完美地減掉了！接收端只看到了原始的差值，完美消除了共模噪聲的影響。

在高速系統(tǒng)中，地平面并不是一個完美的、絕對的零電位。大電流的波動會導(dǎo)致地平面不同點之間存在電壓差（地彈，Ground Bounce）。

• 對于單端信號：它的邏輯電平嚴(yán)重依賴于一個“干凈”的地作為參考。如果發(fā)送端和接收端的地電位不一致（存在ΔGND），接收端看到的電壓就會是信號電壓 + ΔGND，這極易導(dǎo)致錯誤。

• 對于差分信號：它的邏輯判斷基于兩根信號線自身的差值，完全不依賴地平面作為參考。即使發(fā)送端和接收端的地電位有差異，也不會影響 (D+) - (D-) 的結(jié)果。這使得差分信號在復(fù)雜和 noisy 的系統(tǒng)中極其穩(wěn)定。

• 為了表示同樣的電壓差（例如2V），單端信號可能需要從0V切換到2V（擺幅2V）。

• 差分信號每根線只需要從-1V切換到+1V（擺幅也是2V，但圍繞0V變化）。

• 更低的電壓擺幅意味著：

1. 更低的功耗：P = CV2f，功耗與電壓的平方成正比。電壓擺幅減半，功耗可降至原來的四分之一。

2. 更快的切換速度：對電容充放電所需的電荷更少，信號可以更快地上升和下降，從而支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。這對于GHz級別的高速接口至關(guān)重要。

3. 更低的電磁輻射（EMI）：雖然兩根線都會輻射，但因為它們的電流大小相等、方向相反，產(chǎn)生的磁場會相互抵消很大一部分，從而減少了整體的電磁輻射。當(dāng)然，為了最佳效果，需要緊密耦合布線。

差分信號的交叉點（D+和D-相交的點）非常明確和陡峭，受噪聲和電源變化的影響較小。這使得接收端能更精準(zhǔn)地判斷信號跳變的時刻，從而降低時序抖動（Jitter），提高時序裕量，這對于高速數(shù)據(jù)的同步至關(guān)重要。

差分信號的主流接口陣容，接口標(biāo)準(zhǔn)直接鎖定信號類型，90%場景不由工程師自由選擇：

影響信號完整性的因素

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(fā)生變化、互聯(lián)通道沒有達(dá)到理想狀態(tài)以及外部環(huán)境發(fā)生變化等都會影響信號完整性。然而本質(zhì)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(chǎn)生更多的高頻分量，由于高頻分量與通道之間會產(chǎn)生相互影響，這樣就有可能給信號帶來許多不可預(yù)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、電磁干擾。

在時序內(nèi)對信號完整性進(jìn)行研究其實就是一個比較復(fù)雜的領(lǐng)域。一個時鐘內(nèi)，肯定會發(fā)生一定量的操作，所以需要在時間預(yù)算中劃分出一小段時間并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(jìn)行的研究。

噪聲部分又可以分為阻抗不連續(xù)、耦合、串?dāng)_、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。

差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉(zhuǎn)共模信號后會帶來EMI和眼圖等問題。上升沿速度越快，對差分長度匹配要求越高。

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