差分信號（上）

　　我們中的大部分都能直觀地理解信號是如何沿導(dǎo)線或走線傳播的，即便我們也許對這種連接方式的名稱并不熟悉——單端模式。術(shù)語“單端”模式將這種方式同至少其它兩種信號傳播模式區(qū)分開來：差模和共模。后面兩種常?？雌饋砀訌?fù)雜。

　　差模

　　差模信號沿一對走線傳播。其中一根走線傳送我們通常所理解的信號，另一根傳送一個嚴(yán)格大小相等且極性相反(至少理論上如此)的信號。差分與單端模式并不像它們乍看上去那樣有很大的不同。記住，所有信號都有回路。一般地，單端信號從一個零電位，或地，電路返回。差分信號的每一分支都將從地電路返回，除非因為每個信號都大小相

　　等且極性相反以至于返回電流完全抵消了(它們中沒有任何一部分出現(xiàn)在零電位或地電路上)。

　　盡管我不打算在專欄中就這個問題花太多時間，共模是指同時在一個(差分)信號的線對或者在單端走線和地上出現(xiàn)的信號。對我們來說這并不容易直觀地去理解，因為我們很難想象怎樣才能產(chǎn)生這樣的信號。相反通常我們不會產(chǎn)生共模信號。通常這些都是由電路的寄生環(huán)境或者從鄰近的外部源耦合進(jìn)電路產(chǎn)生的。共模信號總是很“糟糕”，許多設(shè)計規(guī)則就是用來防止它們的發(fā)生。

　　差分走線

　　盡管看起來這樣的順序不是很好，我要在敘述使用差分走線的優(yōu)點之前首先來講述差分信號的布線規(guī)則。這樣當(dāng)我討論(下面)這些優(yōu)點時，就可以解釋這些相關(guān)的規(guī)則是如何來支持這些優(yōu)點的。

　　大部分時候(也有例外)差分信號也是高速信號。這樣，高速設(shè)計規(guī)則通常也是適用的，尤其是關(guān)于設(shè)計走線使之看起來像是傳輸線的情況 。這意味著我們必須仔細(xì)地進(jìn)行設(shè)計和布線，如此，走線的特征阻抗在沿線才能保持不變。

　　在差分對布線時，我們期望每根走線都與其配對走線完全一致。也就是說，在最大的可實現(xiàn)范圍內(nèi)，差分對中每根走線應(yīng)該具有一致的阻抗與一致的長度。差分走線通常以線對的方式進(jìn)行布線，線對的間距沿線處處保持不變。通常地，我們盡可能將差分對靠近布線。

　　差分信號的優(yōu)點

　　“單端”信號通常參考到某些“參考”電位。這有可能是正的或者是地電壓，一個器件的門限電壓，或者另外某處的信號。另一方面，差分信號僅參考到與其配對信號。也就是說，如果一根走線(正信號)上的電壓比另外一根走線(負(fù)信號)高，我們就得到了一個邏輯狀態(tài)，如果是低，我們就得到另外一個邏輯狀態(tài)(見圖1)。這樣有幾個好處：

　　圖 1當(dāng)差分信號曲線交叉時邏輯狀態(tài)在該點發(fā)生改變

　　時序可以更精確地定義，因為控制一對信號的交點比控制一個關(guān)于其他參考電壓的絕對電壓容易。這也是走線要精確等長的原因之一。任何在源端所進(jìn)行的時序控制都可以讓步，如果信號在不同的時間到達(dá)另一端。進(jìn)一步來講，如果線對的遠(yuǎn)端信號沒有精確相等且極性相反，共模信號就可能產(chǎn)生并將導(dǎo)致信號時序與EMI問題。

　　因為除了自身，差分信號沒有參考任何其它信號，并且信號交叉的同步可以更有力地控制，差分電路通常可以運行在比類似的單端電路更高的頻率上。

　　因為差分電路對兩根走線(兩者的信號大小相等極性相反)上信號的差作出響應(yīng)，得到的凈信號兩倍于(可比的環(huán)境噪聲)任一單端信號。因此在其它條件等同的情況下，差分信號有著更大的信噪比及性能。

　　差分電路對線對信號之間的電位差敏感。但是(相對地)對線上與其它參考電壓相比(特別是地)的絕對電位不敏感。因此，相對而言，差分電路對諸如地彈、其它存在于電源和/或地平面的噪聲信號以及可能出現(xiàn)在每一根走線中相等的共模信號這樣的問題不敏感。

　　差分信號對EMI和串?dāng)_略微免疫。如果線對走得很近，這樣任何外部耦合噪聲將相等地耦合進(jìn)線對。這樣一來耦合噪聲就變成“共模”噪聲，而電路對此是(理論上)免疫的。如果導(dǎo)線是“纏繞”(比如雙絞線)的，那么對噪聲的免疫性就更好。因為我們不能方便地將印制板上的差分走線纏繞起來，把它們盡可能地靠近走線就是最好的辦法了。

　　緊挨著布線的差分對彼此緊密耦合。這種互耦減少了EMI輻射，特別是與單端走線相比。你可以把這個認(rèn)為是每根走線的輻射彼此大小相等且極性相反，這樣彼此的輸出就相互抵消了，就像在雙絞線中一樣!差分走線彼此越靠近，耦合越強，EMI輻射的可能性就越小。

　　缺陷

　　差分電路的主要缺陷是走線的增加。因此，如果你的應(yīng)用中這些優(yōu)點沒有一個是特別重要的，那么就不值得為差分信號以及附帶的布線考慮增加面積。但是如果這些優(yōu)點在你的電路中產(chǎn)生了顯著的性能差異，那么增加的布線面積就是我們付出的代價。

　　重要結(jié)論

　　差分線彼此耦合。這種耦合影響了走線的對外阻抗，因此端接方法 (關(guān)于這個問題的討論以及如何計算差分阻抗請參見腳注2)所用的差分阻抗的計算是困難的。在這里國家半導(dǎo)體有一些參考，Polar Instruments提供了一個獨立的計算器(是收費的)可以計算許多不同結(jié)構(gòu) 差分走線的差分阻抗。高端設(shè)計工具包也能計算差分阻抗。

　　但是注意是耦合直接影響了差分阻抗的計算。差分走線之間的耦合必須在整個線長內(nèi)保持一致或者阻抗是連續(xù)的。這就是設(shè)計規(guī)則中“固定間距”的原因。