差分信號(hào)（上）

　　我們中的大部分都能直觀地理解信號(hào)是如何沿導(dǎo)線(xiàn)或走線(xiàn)傳播的，即便我們也許對(duì)這種連接方式的名稱(chēng)并不熟悉——單端模式。術(shù)語(yǔ)“單端”模式將這種方式同至少其它兩種信號(hào)傳播模式區(qū)分開(kāi)來(lái)：差模和共模。后面兩種常?？雌饋?lái)更加復(fù)雜。

　　差模

　　差模信號(hào)沿一對(duì)走線(xiàn)傳播。其中一根走線(xiàn)傳送我們通常所理解的信號(hào)，另一根傳送一個(gè)嚴(yán)格大小相等且極性相反(至少理論上如此)的信號(hào)。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(hào)都有回路。一般地，單端信號(hào)從一個(gè)零電位，或地，電路返回。差分信號(hào)的每一分支都將從地電路返回，除非因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)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(méi)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(zhuān)欄中就這個(gè)問(wèn)題花太多時(shí)間，共模是指同時(shí)在一個(gè)(差分)信號(hào)的線(xiàn)對(duì)或者在單端走線(xiàn)和地上出現(xiàn)的信號(hào)。對(duì)我們來(lái)說(shuō)這并不容易直觀地去理解，因?yàn)槲覀兒茈y想象怎樣才能產(chǎn)生這樣的信號(hào)。相反通常我們不會(huì)產(chǎn)生共模信號(hào)。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(hào)總是很“糟糕”，許多設(shè)計(jì)規(guī)則就是用來(lái)防止它們的發(fā)生。

　　差分走線(xiàn)

　　盡管看起來(lái)這樣的順序不是很好，我要在敘述使用差分走線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)之前首先來(lái)講述差分信號(hào)的布線(xiàn)規(guī)則。這樣當(dāng)我討論(下面)這些優(yōu)點(diǎn)時(shí)，就可以解釋這些相關(guān)的規(guī)則是如何來(lái)支持這些優(yōu)點(diǎn)的。

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

　　在差分對(duì)布線(xiàn)時(shí)，我們期望每根走線(xiàn)都與其配對(duì)走線(xiàn)完全一致。也就是說(shuō)，在最大的可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，差分對(duì)中每根走線(xiàn)應(yīng)該具有一致的阻抗與一致的長(zhǎng)度。差分走線(xiàn)通常以線(xiàn)對(duì)的方式進(jìn)行布線(xiàn)，線(xiàn)對(duì)的間距沿線(xiàn)處處保持不變。通常地，我們盡可能將差分對(duì)靠近布線(xiàn)。

　　差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

　　“單端”信號(hào)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(gè)器件的門(mén)限電壓，或者另外某處的信號(hào)。另一方面，差分信號(hào)僅參考到與其配對(duì)信號(hào)。也就是說(shuō)，如果一根走線(xiàn)(正信號(hào))上的電壓比另外一根走線(xiàn)(負(fù)信號(hào))高，我們就得到了一個(gè)邏輯狀態(tài)，如果是低，我們就得到另外一個(gè)邏輯狀態(tài)(見(jiàn)圖1)。這樣有幾個(gè)好處：

　　圖 1當(dāng)差分信號(hào)曲線(xiàn)交叉時(shí)邏輯狀態(tài)在該點(diǎn)發(fā)生改變

　　時(shí)序可以更精確地定義，因?yàn)榭刂埔粚?duì)信號(hào)的交點(diǎn)比控制一個(gè)關(guān)于其他參考電壓的絕對(duì)電壓容易。這也是走線(xiàn)要精確等長(zhǎng)的原因之一。任何在源端所進(jìn)行的時(shí)序控制都可以讓步，如果信號(hào)在不同的時(shí)間到達(dá)另一端。進(jìn)一步來(lái)講，如果線(xiàn)對(duì)的遠(yuǎn)端信號(hào)沒(méi)有精確相等且極性相反，共模信號(hào)就可能產(chǎn)生并將導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序與EMI問(wèn)題。

　　因?yàn)槌俗陨?，差分信?hào)沒(méi)有參考任何其它信號(hào)，并且信號(hào)交叉的同步可以更有力地控制，差分電路通常可以運(yùn)行在比類(lèi)似的單端電路更高的頻率上。

　　因?yàn)椴罘蛛娐穼?duì)兩根走線(xiàn)(兩者的信號(hào)大小相等極性相反)上信號(hào)的差作出響應(yīng)，得到的凈信號(hào)兩倍于(可比的環(huán)境噪聲)任一單端信號(hào)。因此在其它條件等同的情況下，差分信號(hào)有著更大的信噪比及性能。

　　差分電路對(duì)線(xiàn)對(duì)信號(hào)之間的電位差敏感。但是(相對(duì)地)對(duì)線(xiàn)上與其它參考電壓相比(特別是地)的絕對(duì)電位不敏感。因此，相對(duì)而言，差分電路對(duì)諸如地彈、其它存在于電源和/或地平面的噪聲信號(hào)以及可能出現(xiàn)在每一根走線(xiàn)中相等的共模信號(hào)這樣的問(wèn)題不敏感。

　　差分信號(hào)對(duì)EMI和串?dāng)_略微免疫。如果線(xiàn)對(duì)走得很近，這樣任何外部耦合噪聲將相等地耦合進(jìn)線(xiàn)對(duì)。這樣一來(lái)耦合噪聲就變成“共模”噪聲，而電路對(duì)此是(理論上)免疫的。如果導(dǎo)線(xiàn)是“纏繞”(比如雙絞線(xiàn))的，那么對(duì)噪聲的免疫性就更好。因?yàn)槲覀儾荒芊奖愕貙⒂≈瓢迳系牟罘肿呔€(xiàn)纏繞起來(lái)，把它們盡可能地靠近走線(xiàn)就是最好的辦法了。

　　緊挨著布線(xiàn)的差分對(duì)彼此緊密耦合。這種互耦減少了EMI輻射，特別是與單端走線(xiàn)相比。你可以把這個(gè)認(rèn)為是每根走線(xiàn)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(xiàn)中一樣!差分走線(xiàn)彼此越靠近，耦合越強(qiáng)，EMI輻射的可能性就越小。

　　缺陷

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

　　重要結(jié)論

　　差分線(xiàn)彼此耦合。這種耦合影響了走線(xiàn)的對(duì)外阻抗，因此端接方法 (關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的討論以及如何計(jì)算差分阻抗請(qǐng)參見(jiàn)腳注2)所用的差分阻抗的計(jì)算是困難的。在這里國(guó)家半導(dǎo)體有一些參考，Polar Instruments提供了一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算器(是收費(fèi)的)可以計(jì)算許多不同結(jié)構(gòu) 差分走線(xiàn)的差分阻抗。高端設(shè)計(jì)工具包也能計(jì)算差分阻抗。

　　但是注意是耦合直接影響了差分阻抗的計(jì)算。差分走線(xiàn)之間的耦合必須在整個(gè)線(xiàn)長(zhǎng)內(nèi)保持一致或者阻抗是連續(xù)的。這就是設(shè)計(jì)規(guī)則中“固定間距”的原因。