信號鏈基礎(chǔ)知識 #29：數(shù)字接口――單端接口與差動接口的對比

本《信號鏈基礎(chǔ)知識》系列文章向您介紹了在將數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器以及將任何數(shù)字配置數(shù)據(jù)從控制器傳輸?shù)綌?shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時所必需的數(shù)字接口。其中所使用的兩個主要信號傳輸方案就是單端和差動信號傳輸。

單端數(shù)據(jù)傳輸僅使用一條信號線，其電勢被看作接地。在信號線為信號電流提供正向通道時，接地線會提供回流通道。圖 1 顯示了單端傳輸通道的基本原理圖。

圖 1 單端傳輸通道

單端接口的主要優(yōu)點可概括為簡潔性和較低的實施成本。然而，它們極易受噪聲拾取的影響，因為引入到信號或者接地通道的噪聲直接加到接收機輸入，從而引起偽接收機觸發(fā)。另一個問題是串?dāng)_，特別是在一些更高頻率條件下，其為鄰近信號和控制線路之間的電容和電感耦合。最終，由于信號線跡和接地層之間的物理差異，單端系統(tǒng)中產(chǎn)生的橫向電磁波 (TEM) 會輻射到電路環(huán)境中，從而成為鄰近電路的巨大電磁干擾源(EMI)。

差動信號傳輸使用由兩條導(dǎo)線組成的信號對：一個用于正向電流，而另一個用于返回電流。每個信號導(dǎo)線均有一個共模電壓 VCM，其由 50% 差動驅(qū)動器輸出 VOD 疊加，但極性相反（參見圖 2）。

圖 2 差動傳輸通道

當(dāng)差動對的導(dǎo)線彼此接近時，引入到兩個導(dǎo)線的電耦合外部噪聲均勻地表現(xiàn)為接收機輸入端的共模噪聲。具有差動輸入的接收機僅受信號差的影響，但不受共模信號的影響。因此，接收機不但抑制了共模噪聲，同時還保持了信號完整性。

圖 3 從單導(dǎo)線周圍的大散射磁場和差動信號線對緊耦合導(dǎo)線回路之外的小散射磁場輻射出的 TEM 波

緊電子耦合還有另外一個好處。兩個導(dǎo)線中大小相等但極性相反的電流，會形成一些相互抵消的磁場。兩個導(dǎo)線的 TEM 波，現(xiàn)在其磁場被搶走，因此無法輻射到環(huán)境中。只有一些非常小的導(dǎo)線環(huán)路外部邊緣電場可以輻射，從而產(chǎn)生極小的 EMI。

應(yīng)用

緊靠系統(tǒng)控制器使用時，單端接口允許相對較高的頻率（高達 70 MHz）。差動接口具有極高的抗噪性，可以大大低低 EMI，因此可以在高達 500 MHz 甚至更高的頻率下傳輸數(shù)據(jù)。

最常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口是內(nèi)部集成電路總線 (I2C)、串行外設(shè)接口總線 (SPI) 和低壓差動信號傳輸接口 (LVDS)。在后面的《信號鏈基礎(chǔ)知識》文章中，可以閱讀到這些內(nèi)容。

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