串行總線--差分線（差分互連）基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)（一）

　　為了更快的傳輸數(shù)據(jù)，我們能想到的辦法除了一次多傳輸幾位數(shù)據(jù)(增加并行總線的數(shù)量)之外，還有一種辦法就是提高單通道的數(shù)據(jù)傳輸速率，然而隨著單通道速率的提升，信號(hào)完整性問(wèn)題又會(huì)變得越來(lái)越突出，尤其是串?dāng)_以及損耗等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，一種全新的數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)運(yùn)而生，如圖1所示，他就是-----差分(差分線、差分互聯(lián))。

　　圖 1

　　差分(差分線、差分互聯(lián))的主要特點(diǎn)是采樣電壓取兩根電壓的差值，如下圖所示：

　　圖 2

　　我們知道V1和V2相對(duì)于他們公共的地都有一個(gè)單端電壓。信號(hào)接收端關(guān)注的是這兩根線的電壓差，那么使用這種傳輸方式到底有什么優(yōu)點(diǎn)?

　　差分線優(yōu)點(diǎn)1：差分驅(qū)動(dòng)總的dI/dt會(huì)比單端信號(hào)線上大幅降低，從而減小了潛在的電磁干擾(EMI)。如下圖所示：

　　圖 3

　　上圖中紅色和藍(lán)色是單根線電壓。紫色的是差分電壓。我們可以看到，使用差分方式傳輸，信號(hào)的電壓峰峰值被放大了一倍，但是單根線上的電流卻保持不變。如果采用傳統(tǒng)的單線傳輸方式，單根線的dI/dt也會(huì)增加一倍，這樣更容易造成EMI問(wèn)題。

　　差分線優(yōu)點(diǎn)2：差分信號(hào)的值很大程度上與“地”的精確值無(wú)關(guān)，能很好的抵抗電源的干擾。就像下面這幅圖，差分信號(hào)關(guān)注的是兩根線之間的電壓差值，與海平面的高度關(guān)系不大。

　　圖4

　　我們還是通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證下，如下圖5所示：

　　圖 5

　　如下圖所示，左邊是理想GND時(shí)的單端與差分信號(hào)波形，右邊是地平面存在波動(dòng)的時(shí)候的單端信號(hào)與差分信號(hào)。

圖 6 

　　可以清楚的看到，單端信號(hào)受到“地”的干擾很大。但是這些干擾經(jīng)過(guò)差分之后就被抵消了。差分對(duì)抗外部電磁干擾的原理也是一樣，這也就是我們常說(shuō)的：差分形式傳播，在返回路徑中對(duì)付串?dāng)_和突變的魯棒性更好。

　　差分線優(yōu)點(diǎn)3：差分對(duì)內(nèi)每根信號(hào)都有自己的返回路徑，能夠減輕信號(hào)跨分割帶來(lái)的影響。單根線和差分線跨分割分別會(huì)怎樣?我們還是來(lái)驗(yàn)證一下。在仿真的時(shí)候，我們讓單線和差分對(duì)線長(zhǎng)都為1inch，使用普通Fr4板材，來(lái)看看跨分割對(duì)信號(hào)的影響。

　　圖7

　　圖8

　　由上圖可知，單線跨分割對(duì)傳輸線的影響很大，差分線對(duì)跨分割就不是那么敏感，主要原因就是，差分對(duì)兩線可以互為參考，兩根線可以相互作為返回路徑。

　　以上三點(diǎn)就是本人理解的差分線最明顯的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)奠定了串行信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)幕A(chǔ)。當(dāng)然，差分信號(hào)也存在一些缺點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)就是與單端信號(hào)傳輸相比，差分互連需要兩倍數(shù)量的信號(hào)線。再者，如果差分信號(hào)不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生潛在的EMI，這些問(wèn)題都會(huì)在后續(xù)的文章中做詳細(xì)的分析。