【Altium】差分对基础概念

 

【Altium】差分对基础概念

 

 

什么是差分信号?

严格意义上来说,所有的电压信号都是“差分”的,因为一个电压总是相对另一个电压而言。但大部分情况下,我们会把“地”做为电压基准点,从而测得另一个电压值,这种信号被称为单端信号。由于是和“地”做比较,单端信号在PCB上的表现通常只有一根导线(Track)。

什么是差分信号呢?区别于传统的一根信号线一根地线的做法,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相等,相位相差180度,极性相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。从上图中可以看到,发射端(Sender)会将原始信号分成两个振幅相同、相位相反的信号送出,而接收端(Receiver)会计算这两个信号的差值从而得到原始的的信号值。可以看到,在信号传输过程中,如果存在外部的信号干扰,由于干扰信号是同时作用在两个差分信号上的,因此Receiver在计算信号差值时会把干扰去除。差分信号在PCB上的表现会有两根导线(Track):


【Altium】差分对基础概念

 

 

当然,除了PCB上成对出现外,差分线号也会以“成对”的方式出现在线缆或是排线上:

 


【Altium】差分对基础概念

【Altium】差分对基础概念

 

 

差分信号的优点

差分信号有哪些优点呢?

对“地”的依赖度低,比较适合传输低电压信号

用通俗的话讲,就是抗干扰能力强。

这个比较好理解,差分信号是两个信号的差值,不需要所谓的“基准地”,因此很容易识别小信号。当然,这并不是说不需要“地”,无论是PCB还是线缆,还是需要地来构成差分信号正、负端的电流回路。

电子行业,尤其是手机及移动设备,需要低功耗的方案来延长设备的工作时间。低功耗意味着供电电压较低,相应的对噪声的抵抗能力就会降低。在供电电压确定的情况下,差分信号对噪声的抵抗能力两倍于单端信号。

当信号传输距离较远时,差分信号的优势更明显。因为当发射器和接收器相距较远时,局部地的电压值可能存在差异,如果以“单端”方式进行传输,就会出现误差。而差分信号与“基准地”无关,因此可以获得一个更加准确的结果。



【Altium】差分对基础概念


 

能有效抑制电磁干扰(EMI)

用通俗的话讲,就是对外界的影响较小。

这一优点和差分信号本身没有直接关系,而在于差分信号“平衡”的传输方式(balanced line)。

由于差分信号的Postive和Negative靠得很近且幅值相等,这两根线与地线耦合电磁场的幅值也相等。同时他们的信号极性相反,其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。

哪些地方会用到差分信号?

差分信号抗干扰能力强、对外界影响小,在高速数字串行接口中非常常见,比如说LVDS,TMDS,HDMI,DisplayPort,SDI,RS422,RS485,USB,SerialATA,FireWire等。

下面列举了常见的使用差分对的接口及其速率:

Serial ATA 1.5Gbit/s

Hypertransport 1.6Gbit/s

Infiniband 2.5Gbit/s

PCI Express 2.5Gbit/s

Serial ATARevision 2.0 2.4 Gbit/s

XAUI 3.125Gbit/s

Serial ATARevision 3.0 6 Gbit/s

PCI Express 2.0 5.0Gbit/s per lane

10 Gigabit Ethernet 10 Gbit/s (4个差分对,每对2.5 Gbit/s)

DDR SDRAM 3.2Gbit/s

高压差分信号(HVD)

最后再介绍一个新名词:High-voltagedifferential(HVD)信号,在电子行业,通常高于5V的电压都属于“高压”。

HVD的最大用途是增加信号的传输距离。举例来说,SCSI(SmallComputer System Interface)标准中定义的载有单端信号的电缆最大长度在1.5米到6米之间(根据传输速率不同),而HDV的设备其电缆的长度可以到达25米,几倍于单端信号的设备。

 

 

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