干货!差分信号简介
驱动端发送两个大小相等,方向相反的信号,接收端会有一个相减器,比较这两信号的差值,来判断逻辑位是0或是1,承载差分信号的那一对走线,即称为差分走线,或差动对。...
什么是差分?
驱动端发送两个大小相等,方向相反的信号,接收端会有一个相减器,比较这两信号的差值,来判断逻辑位是0 或是1,承载差分信号的那一对走线,即称为差分走线,或差动对。
图 1. 差动对
上图是差动对示意图。两个大小相同,方向相反的信号,分别在两个导体上传输,其两信号的差,即为差分信号。用数学式表示 :
如果用跷跷板来表示 :
图 2. 跷跷板示意图
所谓的正电压跟负电压,都是V1 跟V2比较出来的结果。
这点跟传统的单端信号不一样。单端信号中,所谓的正电压或负电压,是跟GND ( 电位 = 0 ) 比较出来的。上面图1 也可以看成两个单端信号:
图 3. 双绞线
日常生活中常见的双绞线,就是典型的差分信号,但它是立体3D的。该文主要还是针对平面式差动对来做探讨。为什么要用差分 ?使用差分信号的第一个好处,就是具错误更正效果。
图 4. 有噪声的单端信号
图 5. 有噪声的差分信号
因为正信号跟负信号上的VERROR大小相等,因此(6)式的差分信号,其VERROR会被消除掉。若以图表示之 :
图 6. 有噪声的差分信号
第二个好处,就是防EMI 干扰,不论是干扰别人或是被别人干扰,都可有效抑止。这也是为什么高速信号一般都用差分信号,以加强其信号完整性,将失真度降到最低。
图 7. 差分信号之耦合示意图
2. 当信号路径很长时。当然一般而言,信号路径是越短越好,既可减少损耗,又可防EMI 干扰,不论是干扰别人或是被别人干扰。但有些信号必须走PCB内层,以获得良好的保护时,信号路径不得不长途跋涉。此时便需要用差分信号。
而如果我们想要把单端信号跟差分信号,做互相转换的动作,便要透过Balun。
怎样使用差分?
当然差分信号,有其该注意的地方,否则便会发挥不出该有的优点。
1. 两信号线要尽可能靠近
2. 两信号线的间距须从头到尾一致
3. 两信号需等长
下面就来探讨,为什么若不遵循以上三点,差分信号会发挥不出该有的优点。
根据克希荷夫电流定律 (Kirchhoff's current Laws-KCL),一个节点,只要有电
流流出,便会有等量的电流进入,以下图为例 :
图8. KCL
这表示任何信号都会有所谓的回流电流,使整体信号路径形成一个回路。以图9
为例,当一个单端信号由发射端 (Tx)传送到接收端 (RX)时,会有一个回流电流经由GND 再回到Tx,使整体路径形成一个回路。
图9. 单端信号回流电流示意图
图10. 差分信号回流电流示意图
另外由图10 知,两信号线的间距,会决定回路面积,因此间距小,回路面积就小,产生的EMI 也小,不会去干扰别人。
承上,那么差分信号的长度,也会决定回路面积,是不是差分信号的长度,越短越好 ? 答案是肯定的,我们在第6 页说过,信号路径是越短越好,既可减少损耗,又可防EMI 干扰,长途跋涉是不得不的选择,这点不管单端或差分信号都适用。 另外,以图7 为例,其差分阻抗为2(Z0 - ZBC), Z0为特性阻抗,ZBC是来自B 跟C 的相互耦合所产生的阻抗,跟B C 间的间距有关,故两信号线的间距须从头到尾一致,这样ZBC才会固定,其差分阻抗2(Z0 - ZBC)也才会一致,避免因阻抗不匹配而导致反射。
图11. 不等长的差分信号
信号,这样就变成单端信号了。因为使用差分信号的环境,多半是对于信号完整性有严重减损的恶劣环境,若该环境下依然走单端形式,那么其信号完整性必定大大降低。因此在使用差分信号时,须严格要求两信号线长度一致。
差分信号的缺点
当然差分信号,也不是没有缺点,否则所有信号都一律走差分形式就好了。
最主要是会造成走线跟零件的数量变两倍,导致成本增加,以及layout 的面积跟复杂度提高,因此,多半是关键的信号线才会走差分形式,例如数字高速信号。
接地
在此针对接地的概念,再做更详细说明。前面提到,任何信号都会有所谓的回流电流,使整体信号路径形成一个回路。单端信号的回流电流是经由GND,而单端信号中,所谓的正电压或负电压,是跟GND ( 电位 = 0 ) 比较出来的。因此若 GND 的电位非恒为0,则会造成ERROR V ,但差动对因为其回流电流是沿着另一条信号,不会流过GND,因此即使GND 的电位非恒为0,也不会影响其信号的电压,就算有ERROR V ,由图6 可知,也会透过相减器消除。
另外,若是GND 离单端信号太远,则会使回路面积变大,导致产生的EMI 干扰也跟着变大。或是GND 有不连续面,其单端信号的信号完整性也会跟着受到影
响,然而由于差动对因为其回流电流不会流过GND,因此即便GND 有不连续面,其差动对的信号完整性也不会有太大影响。
那么,如果GND 离差分信号太远,会如同单端信号一样,导致EMI干扰也跟着变大吗?
图12. 差动对的感应电流
差动对的回流电流,固然不会经过GND,但是依然会在下方的GND Plane,感
应出一个相反方向的电流回路,其感应电流的回路面积跟上方的差动对回路面积成正比,因此差分信号的间距要尽可能小,走线长度要尽可能缩短,这样差动对回路面积才会小,其下方感应电流的回路面积跟着变小,使产生的EMI 干扰降到最低。
或许有人问,那可以把下方的GND Plane 拿掉吗? 这样就不会有感应电流回路,否则一但差动对的回路面积过大,则感应电流的回路面积跟着过大,等于有两个EMI 干扰来源。答案是不行,除非有办法保证差动对的长度,可以完全等长,否则一旦差动对的长度有些许的差异,如同图11 的length 2,则会变成单端信号,而单端信号的回流电流会经过GND,若把下方的GND Plane 拿掉,那么该单端信号的回流电流,会自己绕远路,去寻找远方的GND,来形成一个回路,这样等于是让回路面积加大,其EMI 的干扰会跟着加大。
因此,再回到13 页的问题,如果GND 离差分信号太远,其EMI 干扰会变大吗?
答案是会,除非有办法保证差动对的长度,可以完全等长,否则会变成单端信号,如此的话,回路面积加大,其EMI 的干扰会跟着加大。
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