详解差分信号

关于这个问题的讨论以及如何计算差分阻抗请参见脚注2）所用的差分阻抗的计算是困难的。在这里国家半导体有一些参考，Polar Instruments提供了一个独立的计算器（是收费的）可以计算许多不同结构 差分走线的差分阻抗。高端设计工具包也能计算差分阻抗。

　　但是注意是耦合直接影响了差分阻抗的计算。差分走线之间的耦合必须在整个线长内保持一致或者阻抗是连续的。这就是设计规则中“固定间距”的原因。

　　注释

　　例如，参见"PCB Impedance Control", PC Design, March, 1998，以及"What\'s All This Critical Length Stuff, Anyhow?", PC Design, October, 1999。

　　"Differential Impedance, What\'s the Diff

erence", PC Design, August, 1998

　　参见他们的网页：http://www.polarinstruments.com/

　　我们通常认为信号以三种模式沿电路传播：单端、差模或共模。

　　单模是我们最熟悉的。它包括介于驱动器与接收器之间的单根导线或走线。信号沿走线传播并从地返回1。

　　差模包括介于驱动器与接收器的一对走线（或导线）。我们一般认为其中一根走线传送正信号而另一根传送负信号，并且大小相等极性相反，没有通过地的返回信号；信号沿一根走线前进并从另外一根返回。

　　共模信号通常更难于理解。既可以包括单端走线也可以包括两个（可能更多）差分走线。同样的信号沿走线以及返回路径（地）或者沿差分对中的两根走线流动。大部分人往往对共模信号不熟悉，因为我们自

己从来不会故意产生它们。它们通常是由从其它（邻近或外部）源耦合进电路的噪声引起的。一般来讲，结果最好情况是中性的，最坏情况是具有破坏性的。共模信号能够产生干扰电路正常运行的噪声，并且是常见的EMI 问题的来源。

　　优点

　　差分信号相比单端信号有一个显著的缺点：需要两根走线而不是一根，或者两倍的电路板面积。但是差分信号有几个优点：如果没有通过地的返回信号，地回路的连续性相对就变得不重要了。因此，假如我们有一个模拟信号通过差分对连接到数字器件，就无需担心跨越电源边界，平面不连续等等问题。差分器件的电源分割也更容易处理2。差分电路在低压信号的应用中是非常有益的。如果信号电平非常低，或者如果信噪比是个问题，那么差分信号可以有效地倍增信号电平（+v-(-v)=2v）。差分信号和差分放大器通常用于信号电平非常低的系统的输入级。

　　差分接收器往往对输入信号电平的差敏感，但是常常被设计为对输入的共模偏移不敏感。因此在强噪声环境中差分信号往往比单端信号有着更好的性能。

　　相比单端信号（以一个不太精确的受电路板其他位置的噪声的干扰的信号为参考）差分信号（彼此互为参考）的翻转时序可以更精确地设定。差分对的交叉点定义得非常精确（图1）。单端信号位于逻辑1 和逻辑0 之间的交叉点受制于（举例）噪声、噪声门限以及门限检测问题等等。

　　重要假设

　　差分信号的一个重要方面常常被工程师或者设计人员忽略，甚至有时被误解。我们从两条广为人知的规则开始：（a）电流在一个闭合的环路内流动以及（b）电流在环路内处处相等。

　　考虑差分对的“正”走线。电流沿走线流动并且必须在一个环路内流动，通常从地返回。另外一根走线中的负信号也必须在一个环路内流动，通常也从地返回。这很容易明白如果我们暂时想象一个差分对中的一根走线上的电流保持不变。另一根走线中的信号必须从某个地方返回并且很清楚返回路径应该是单端信号的返回路径（地）。我们说差分对没有通过地的返回信号不是因为不能，而是因为返回信号的确存在并且大小相等且极性相反所以相互抵销了（和为零）。这一点非常重要。如果从一个信号（+i）返回的信号严格等于，且符号相反，另一个信号（-i），那么它们的和（+i-i）为零，没有电流从任何地方流过（特别是地）。现在假定信号并非严格相等且极性相反。设一个为+i1 另一个为-i2。这里i1 和i2 的值近似但是不等。返回电流的和为(i1-i2)。因为不是零，这个增加的电流必须从某个地方返回，推测应该是地。

　　你说什么？那么让我们假定发送电路发送一对差分信号，严格相等且极性相反。再假定他们在路径的终点仍然如此。但是如果路径长度不等会如何呢？如果（差分对中的）一条路径比另外一条长，那么信号在传输到接收器的阶段就不再是严格相等且极性相反了（图2）。如果信号在它们从一个状态到另一个状态的转变过程中不再是严格相等且相反，没有电流流经地就不再是正确的了。如果有流经地的电流存在，那么电源完整性就一定成为一个问题，并且可能EMI也会成为一个问题。

　　设计规则1

我们处理差分信号的第一