标签: 差分信号

一、差分对内两信号的走线长度相等 该要求是基于以下两个因素而提出的。 (1) 时序要求： 由于差分信号的时需参考点是对内两信号边沿的交叉点，差分对内两信号走线长度的差异会造成交叉点的偏移，可能对时序产生影响。 (2) 共模噪声： 差分对内两信号的走线长度存在差异时，在参考平面上的回流无法全部抵消如果参考平面存在分割的情况，那么在回流路径上将会产生共模噪声，叠加到差分信号上面，严重时将导致EMI问题。 差分对内两信号走线等长更多是基于在共模噪声的原因上提出的。对于时序。即使线长存在微小差异，对时序的影响也是较小的，比如100MIL的长度差异，对时序的影响只有几十皮秒，所以不足以造成严重的问题。而这种微小的长度差异，却可能带来后级电路无法抑制的共模噪声，影响全系统的emc性能。 二、差分对内两信号的间距越小越好 这个要求也是基于以下两因素提出的。 (1) 间距越小， 附近的干扰对差分对内两信号的影响接近于等同，然后来实现近似的抵消。 (2) 减少电磁干扰。 差分对内两信号的电流方向相反，形成了电流环路，那么同样差分对信号的两个回流信号也形成了电流环路，根据电磁理论，电流环路能形成磁场，磁场又能产生电场，从而对系统构成了电磁干扰，所以为了减少电磁干扰，应该减小电流环路，即减小差分对内两信号的间距。 三、差分对内两信号的间距保持一定 信号之间的间距很大程度上决定了差分对信号的阻抗。 四、差分信号的阻抗控制 差分信号的阻抗在三个方面表现出来：差分对信号线宽及铜箔厚度，差分对内两信号的间距，差分对信号间距参考平面的距离。由此可见，差分对内信号的间距并不能无限制的减小。 五、尽量保持差分对附近的过孔均匀分布 在高密度电路板上，无法保证所有的信号过孔都远离差分对信号线，但是过孔相对于差分对均匀分布有助于抵消干扰。 以上就是我们在差分对信号的应用中需要注意的五点要求，感兴趣的朋友记得关注哦。

差分信号通常用仪表放大器放大后，进行 A/D 采集。通常需要给仪表放大器增加一个偏置信号，当输入为负时，能得到一个正输出。 按照上图配置， 仪表放大器的输出 Vo = Vbias + Vi * A Vbias 为偏置电压， Vi 为输入差分信号电压。图中为 1.1V ， A 为放大倍数，图中为 11 。 实际使用时，偏置电压有可能不准确。有时即使用使用高精度的参考源，也不容易保证准确，对于微弱信号的测量，会带来很大的偏差。 可以 Vi 输入加入一个切换信号极性的开关，用信号继电器，模拟开关均可。将 Vi 换极性为 -Vi 。 进行两次测量。 Vo1 = Vbias + Vi * A ………….(1) Vo2 = Vbias – Vi * A…………..(2) 将（ 1 ） - （ 2 ）得到 Vo1 – Vo2 = 2*Vi * A…………(3) (3) 中消去了不稳定的 Vbias 。实际操作时， Vo1 Vo2 可以使用数字采集。采集完成后，将数据相减，除 2*A 即能测到较准确的 Vi 。

   简介 共模扼流圈广泛应用于高速串行数据传输。当传输介质是连接两个子系统的差分线电缆时, 其应用则更为普遍。使用共模扼流圈可以减少电缆的电磁辐射噪音，并有助于符合规范要求。由于共模扼流圈是直接用在数据线路上的，其电气特性可能会影响经电缆传输的差分信号的性能。本文论述了共模扼流圈的结构、电气性能和常见的用途，为硬件工程师提供应用选择合适元件的一个信息。   共模扼流圈的结构 共模扼流圈有许多形式。包在电缆上的铁氧体钳（ferrite clamp）就形成了一个共模扼流圈，并成为了电缆的一部分。许多供应商1 生产微型共模扼流圈，是专为印刷电路板安装设计的。其尺寸像一个0805或0603电阻器一样大小。 共模扼流圈是由对称绕在铁氧体磁芯上的两根同样的导线組构成的。图2显示了一个0805大小的共模扼流圈结构。这个结构是一对高度对称的互感器。等效电路图如图3所示。 共模扼流圈的特性 一个理想的差分信号是一对具有同等幅度，其相位正好是180度的信号組成的。当一个差分信号施加在共模扼流圈上时，每个信号都产生了磁通量，其数量相等但极性相反。磁通量相互抵消，因此扼流圈看起来对差分信号是透明的。在现实中，由于电路寄生效应的缘故, 信号幅度会有小幅减少。 同样，共模信号是由一对有相同幅度且完全同相的信号形成的。当一个共模信号施加在一个共模扼流圈上时，在铁氧体磁芯中產生了互補的磁通, 并增加了扼流圈的阻抗。因此，扼流圈为共模信号提供了大量衰减。 简单来说，共模扼流圈是一个神奇的元件，它具有高阻抗，可以提供衰减来抑制共模信号，同时又呈现出低阻抗，对通过器件的差分信号来说, 引入的插入损耗很小。图4描述了一个共模扼流圈特性的示意图。   共模扼流圈的规格 供应商通常根据其在基准频率的共模阻抗值来制定共模扼流圈的规格。具有较大共模阻抗的扼流圈可在较低的频率提供共模衰减。表1显示了来自村田制作所的DLW21S系列共模扼流圈的规格。这些产品适用于高速串行链路，如HDMI或FPD-Link II和III。 描述共模扼流圈特点的一个更好的方法是通过它的频率特**来进行描述。图5描述了扼流圈的共模插入损耗。它显示了在阻带频率扼流圈衰减共模信号的能力。而通带内的共模信号不会衰减。 图6和图7显示了扼流圈的差模插入损耗和回波损耗。这些对通过扼流圈的差分信号来说都是很重要的参数。差分插入损耗决定了可用带宽，而回波损耗决定了扼流圈是否可以保留连接到扼流圈的传输介质的特性阻抗。 差分信号系统旨在实现对称的互补信号和承载信号的传输介质。差分信号源的设计都是为了实现振幅、上升和下降转换的时间、传播延迟和负载的良好匹配。在有物理约束的现实世界中，总是有一些不匹配的因素使得差分源或传输介质出现一些失衡。差分信号的不平衡会导致共模信号的产生。根据设备外壳和电缆的屏蔽效果，少量不需要的共模信号会以电磁辐射噪音的形式辐射到空中。 共模扼流圈凭借其衰减共模信号，同时又使差分信号不受影响的属性，成为了一个有效的补救措施，可以通过减少共模信号源来减少电磁辐射。如图8所示，共模扼流圈（L1）放置在一个发射器电路板连接器之前，用来减少到达线束之前的不需要的共模信号。   用来消减干扰 为了确保电子子系统之间可靠的运行程序，要对它们进行符合电磁兼容性（EMC）要求的测试。一些常用的EMC测试是通过大电流注入（BCI）和射频干扰（RFI）来进行的。而BCI测试是通过使用电流注入探头, 引起线束上出现大量的共模信号来进行测试的。RFI测试涉及到天线的使用，要为被测试的子系统提供了强大的共模干扰信号。 根据线束的屏蔽效果，一定量的电磁干扰可能会随着共模干扰信号出现在一个高速差分接收器的输入引脚上。但如果共模干扰过多，可以将靠近接收器的输入引脚放置到共模扼流圈中来，从而过滤共模干扰信号。 用来减轻电缆不平衡 高速差分信号要求传输差分信号的电缆的两根导线之间有很好的对称性。影响其性能的因素主要取决于其物理尺寸的匹配程度，如导线的长度和导线直径、导线和介质及其电绝缘材料的性能，以及每根导线的特性阻抗。电缆的结构对两根导线之间的相互耦合程度有很大的影响，这决定了电缆的特性阻抗。当相互耦合随电缆长度改变一点点时，在使用双绞线电缆的情况下，其电气性能会随导线进行变化，从而影响了电缆的平衡度。 通过良好平衡电缆的传输差分信号可以保持等幅和极性相反的差分特性。任何不平衡都会导致模式转换, 以至其中少量差分信号被转换成共模信号。随着电缆长度的增加，会出现多种差分和共模信号模式之间的转换。在电缆的末端，不需要的共模信号的存在可使差分信号失真，并出现不等幅和不完全相反的极性。这些失真通常被称为幅度不匹配和线对延迟差（intra-pair skew）。 如图9所示为一根10米屏蔽双绞线末端的幅度不匹配和线对延迟差。 在电缆的一端放置一个共模扼流圈，可以减少共模信号量，同时提高了电缆的平衡性。图10说明了一个共模扼流圈在复原差分信号为等幅和反相方面的能力。

诸如在汽车电子、电器控制、军工设备中，差分总线由于其优异的抗干扰特性，被大量使用。在测试过程中，往往需要利用仪器仿真差分信号，对被测件的可靠性进行测试。 以下的经验分享，是利用安捷伦33522函数和任意波性发生器，介绍差分信号的产生。您也可以观看视频 http://www.tudou.com/programs/view/jXe03ba20Hc/   单端信号以能够与其他信号共享的普通标准（例如地面）为参考，因此单端信号只需要单一路径或线路。差分信号由一对路径组成，这对路径在任何时候都专用于单个信号，一个路径比另一个路径的潜在使用率高一些。由于差分信号需要双线路而不是单线路，因此会增加复杂程度，但是它们提供许多超越单端信号的性能优势。   差分信号的优势包括出色的信噪比、极少的时序误差和较低的串扰。这些优势使差分信号广泛应用于各种应用，例如 ADC 输入、仪器放大器、测量传感器（诸如加速计）和通信信号。工程师设计和测试使用差分信号的器件时，仿真差分信号来进行测试将极具挑战性。这些挑战是由以下原因引起的：大多数函数/任意波形发生器（FAWG）具有单端输出；生成差分信号的仪器可能十分昂贵。本文将介绍两种生成低成本差分信号的方法：使用 FAWG 和一些定制硬件或使用 2 通道 FAWG   一种在单端信号源的输出端使用定制硬件生成差分信号的方法是：如图所示，使用差分放大器电路设计。     差分电路中的电阻器的增益值应为 1，直流偏置的应设置为 0 V。创建电路时，应尽可能缩短信号路径和配线，以保持低寄生电抗效应，从而实现良好的信号完整性。   FAWG 具有两个单端通道（从地面隔离），可将通道组合成一个差分信号通道。由此，需要将每个通道的两个“低”或“常见”连接结合在一起。如图所示，一个通道的“高”连接必须用作差分信号的高信号路径，另一个通道的“高”连接必须用作逆返回线路或低信号路径。       除了两个通道以外，在具有通道跟踪能力的双通道 FAWG 上也很容易完成此任务，例如 Agilent 33522A 双通道函数/任意波形发生器。该特性使您能够生成从通道 1 到通道 2 的输出信号的倒置镜像，这正是生成差分信号不可或缺的。此外，借助此功能，您只需设置一个通道的任意或内置波形，波形的倒置版本将自动跟踪其他通道。否则，您便需要设置两个通道的任意或内置波形，并使用触发尝试同步输出这些波形。   例如，使用差分输入高分辨率数字转换器测量和捕获 3 个信号。所用的实例信号为 500 KHz 方波。下图显示了数字转换器的信号屏幕快照。3 个信号为：   **信号是连接到单端 FAWG 的差分放大器输出端的差分信号 绿色信号是 33522A 的两个通道生成的差分信号输出 紫色信号是在差分放大器输入之前单端 FAWG 的输出       如图所示，定制硬件生成的差分信号会出现许多振荡。建立差分放大器电路时，应尽可能缩短配线，并提供一个大的接地层。现在随着时间的推移和工程师的努力，或许能够进一步改进电路的信号完整性。但该实例的关键是，向您展示使用具有跟踪功能的 2 通道 FAWG 生成差分信号，能够节省时间并确保更好的信号质量。另外，2 通道 FAWG 要比差分输出波形发生器便宜得多。

示波器仍是目前工作台上必不可少的工具，这里整理了六条基于示波器使用者的常见问题，不知道是否解答了您的困惑？   Q1: 在高速串行测试时，对测试所需示波器有什么样的要求？哪几个指标是最关键的？ A: 基本来说对带宽和采样率要满足串行信号的要求，接下来就需要考察是否是差分信号，以及示波器对串行测试的分析功能，比如说码型的触发和解码等等。   Q2: 在测量高速数字信号时，示波器的带宽是不是一定要是信号频率的5倍以上? 为什么? A: 选择示波器的带宽，一般是被测信号的速率的2.5倍或信号最高频率的5倍，这样可以看到高速信号的5次谐波。   Q3: 测试时的带宽是如何影响测试结果? 对测试仪器的带宽有何要求? A: 首先，带宽不足会损失掉信号的高频谐波分量，导致时间和幅度测试的不准确。然而即使带宽相同的示波器会表现出不同的上升时间，对应用来说，测量上升沿上发生的错误非常关键，另外在数据信号中，对眼图的张开度影响也很大。正因如此，上升时间指标对在时域中执行测量的设备（示波器）非常重要。   Q4: 带宽是否越高越好？ A: 前面提到，目前广泛使用的电路板、连接器、电缆和集成模块的上升时间非常有限，以至于高速信号经过传输之后高频分量损耗严重。许多新的第三代标准(USB3.0, PCIE Gen3, 10G-KR)已经考虑到这一点，要求的带宽比以前低得多。当然，也有一些例外情况，要求更高的带宽。比如100G以太网方案，它采用复杂的调制技术(DP-QPSK)，要求四个模拟输入及超过20 GHz的带宽进行分析。鉴于这些应用，泰克已经宣布，其带宽超过30GHz的示波器将于今年下半年晚些时候推出。   Q5: 怎样才能提高测试仪器的灵敏度呢？ A: 选择合适的带宽，带宽过大会增加噪声，在垂直设置上，尽可能让信号填满屏幕，好充分利用示波器的AD位数，可以采用波形平均，合适的探头的带宽，选择高分辨率 (Hi-res) 采集模式等等。   Q6: 在对系统设计进行调试时，确认异常现象并在短时间内弄清电路的运行条件，如何增加捕捉异常现象的机会？ A: 使用DPX技术，并打开无限余辉，几秒钟就可以看到平时可能数小时看不到的异常信号。该性能提高了见证数字系统中出现的瞬态事件的几率，这些瞬态事件包括短脉冲、毛刺和转换误差等。   欢迎讨论和补充！