原创 单端信号与差分信号 #D0060

单端信号

早期的数字总线大部分使用单端信号做信号传输，如TTL/CMOS信号都是单端信号。所谓单端信号，是指用一根信号线的高低电平的变化来进行0、1信息的传输，这个电平的高低变化是相对于其公共的参考地平面的。单端信号由于结构简单，可以用简单的晶体管电路实现，而且集成度高、功耗低，因此在数字电路中得到最广泛的应用。下图是个单端信号的传输模型。

当信号传输速率更高时，为了减小信号的跳变时间和功耗，信号的幅度一般都会相应减小。比如以前大量使用的5V的TTL信号现在使用越来越少，更多使用的是3.3V/2.5V/1.8V/1.5V/1.2V的LVTTL电平，但是信号幅度减小带来的问题是对噪声的容忍能力会变差一些。进一步的，很多数字总线现在需要传输更长的距离，从原来芯片间的互连变成板卡间的互连甚至设备间的互连，信号穿过不同的设备时会受到更多噪声的干扰。更极端的情况是收发端的参考地平面可能也不是等电位的。因此，当信号速率变高、传输距离变长后仍然使用单端的方式进行信号传输会带来很大的问题。下图是个受到严重共模噪声干扰的单端信号，对于这种信号，无论接收端的电平判决阈值设置在哪里都有可能造成信号的误判。

差分信号

为了提高信号在高速率、长距离情况下传输的可靠性，大部分高速的数字串行总线都会采用差分信号进行信号传输。差分信号是用一对反相的差分线进行信号传输，发送端采用差分的发送器，接收端相应采用差分的接收器。下图是个差分线的传输模型及真实的差分PCB走线。

采用差分传输方式后，由于差分线对里正负信号的走线是紧密耦合在一起的，所以外界噪声对于两根信号线的影响是一样的。而在接收端，由于其接收器是把正负信号相减的结果做为逻辑判决的依据，因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平的波动，对于最后的逻辑电平判决影响很小。相对于单端传输方式，差分传输方式的抗干扰、抗共模噪声能力大大提高。下图是一个差分传输对共模噪声抑制的一个例子。

采用差分方式进行信号传输会使得收发端的电路变得复杂，系统的功耗也随之上升，但是由于其优异的抗干扰能力以及可靠的传输特性，使得差分传输方式在需要进行高速数字信号的传输或者恶劣工作环境的领域得到了广泛的应用，如LVDS、PCI-E、SATA、USB、1394、CAN、Flexray等总线都是采用差分的信号传输方式。

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