差分信号和单端信号的优缺点详解指南
单片机与嵌入式 2024-05-22
差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。

在某些系统里,系统'地'被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时,这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。

另一方面,一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要,这两个电压的平均值还是会经常保持一致。

我们用一个方法对差分信号做一下比喻,差分信号就好比是跷跷板上的两个人,当一个人被跷上去的时候,另一个人被跷下来了,但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推,正值可以表示左边的人比右边的人高,而负值表示右边的人比左边的人高。0 表示两个人都是同一水平。

上图是用跷跷板表示的差分信号,左中右分别为负电压、零电压和正电压。

应用到电学上,这两个跷跷板用一对标识为V+和V-的导线来表示。当V+>V-时,信号定义成正极信号,当V+

如上图所示,上方的差分信号波形V+、V-做差正好是下方的单端信号波形。

差分对围绕摆动的平均电压设置成2.5V。当该对的每个信号都限制成0-5V振幅时,偏移该差分对会提供一个信号摆动的最大范围。当用单一5V电源操作时,经常就会出现这种情况。

当不采用单端信号而采取差分信号方案时,我们用一对导线来替代单根导线,增加了任何相关接口电路的复杂性。那么差分信号提供了什么样的有形益处,才能证明复杂性和成本的增加是值得的呢?

差分信号的第一个好处是,因为你在控制'基准'电压,所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准,单端信号方案的系统里,测量信号的精确值依赖系统内'地'的一致性。信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与'地'的精确值无关,而在某一范围内。

差分信号的第二个好处是,它对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值,这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外,差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。

差分信号提供的第三个好处是,在一个单电源系统,能够从容精确地处理'双极'信号。为了处理单端,单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。

用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来,必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号,不需要这样一个虚地,这就使我们处理和传播双极信号有一个高保真度,而无须依赖虚地的稳定性。

刚才提到了单端信号,其实,信号通常以三种模式沿电路传播:单端、差模或共模。

单模是我们最熟悉的。它包括介于驱动器与接收器之间的单根导线或走线,信号沿走线传播并从地返回。

这里最难理解的是共模信号。它既可以包括单端走线也可以包括两个(可能更多)差分走线。同样的信号沿走线以及返回路径(地)或者沿差分对中的两根走线流动。大部分人往往对共模信号不熟悉,因为我们自己从来不会故意产生它们。它们通常是由从其它(邻近或外部)源耦合进电路的噪声引起的。一般来讲,结果最好情况是中性的,最坏情况是具有破坏性的。共模信号能够产生干扰电路正常运行的噪声,并且是常见的EMI 问题的来源。

差分信号相比单端信号有一个显著的缺点:需要两根走线而不是一根,或者两倍的电路板面积。

但是差分信号有几个优点:

如果没有通过地的返回信号,地回路的连续性相对就变得不重要了。

因此,假如我们有一个模拟信号通过差分对连接到数字器件,就无需担心跨越电源边界,平面不连续等等问题。差分器件的电源分割也更容易处理。差分电路在低压信号的应用中是非常有益的。如果信号电平非常低,或者如果信噪比是个问题,那么差分信号可以有效地倍增信号电平(+v-(-v)=2v)。差分信号和差分放大器通常用于信号电平非常低的系统的输入级。

差分接收器往往对输入信号电平的差敏感,但是常常被设计为对输入的共模偏移不敏感。因此在强噪声环境中差分信号往往比单端信号有着更好的性能。

相比单端信号(以一个不太精确的受电路板其他位置的噪声的干扰的信号为参考),差分信号(彼此互为参考)的翻转时序可以更精确地设定。差分对的交叉点定义得非常精确见下图。单端信号位于逻辑1和逻辑0之间的交叉点受制于(举例)噪声、噪声门限以及门限检测问题等等。


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