为什么高速接口用差分讯号

差分信号的传输需要一对传输线来实现，那么这对传输线又叫做差分对。能够用单端传输线组成差分对的两条传输线。和单端传输线相类似，差分对传输有多种多样的横截面形状。下图我们列举了最常见的几种截面几何外形。

随着信号速率的提高，差分互连得到越来越多的应用。实际上差分对是具有耦合的传输线，其主要用的是差分信号的特征，用差分对来实现。差分信号利用两个输出驱动来驱动两条传输线。其中一根携带信号，另一根携带它的互补信号，两条传输线上面的压差就是需要传输的信息。在差分信号的传输过程中，主要是以两条传输线为传输载体，差分驱动器输出的是边缘能够对齐的两个信号，但是正好方向相反，如下图所示。两个高速信号分别传输，接收端在信号抵达接收器时对两个信号作差分检测，得到的差值就是差分信号。差分电路的好处是在于对称，包括传输线的长度对称，倘若做不到，差分信号转共模信号后会带来EMI和眼图等问题，上升沿速度越快，其对差分长度匹配要求越高.

差分讯号示意图

在接收端，线 1 的电压是V1，线 2 的电压是V2 。通过放大器可以得到 1 和 2之间的压差，由此可以恢复差分信号：

在上面的式子中，Vdiff —差分信号

V1 —线 1 相对于共用返回路径的信号电压

V2 —线 2 相对于共用返回路径的信号电压

除了差分信号，共模信号也是电路中存在的[40]，其可以用两条线上的平均电 压来表示，定义为：

在上面的式子中，Vcom—共模信号。

理想状态，共模信号被认为是没有变化的。共模信号由于不带有信息，所以不影响信号完整性和系统性能。所以接收端要想准确的接收差分信号，必须要有共模抑制的功能。除此之外，在一定条件下，差分传输的抗干扰能力好于单端信号

，差分和共模信号分量都是属于高速信号，如下图所示，差分信号在-0.25 到 +0.25 之间。因此传输线上的差分信号电压就是 0.5V。

差分信号分量以及共模信号分量

差分传输之所以能够抗干扰，这是因为对两个单端信号进行差分检测的时候，其噪声有可能会抵消。只要外界对差分对中两个单端信号上的干扰基本一致，就不会影响差分信号的传输。所以无论采取何种走线方式，关键是要控制两条传输线周围环境基本一致，并尽量减少其他信号干扰。理想情况下，差分信号是正负对称的，其共模份量为零或者只有直流份量，如下图1所示。如果差分线的正负传输线长度不等，造成传输时间不一致，实际上就是信号在时间轴上的不对称，在终端负载电阻上就能观察到图2所示的波形。显然此时的正负波形不能严格对称，差分电路中的正负电流无法抵消，于是其电源中就有共模电流份量在流动。如果研究过EMI的人都知道，共模辐射是最难对付的。

图1

图2

为什么高速接口都用差分讯号

1. 核心原因：卓越的抗噪声能力（共模噪声抑制）

这是差分信号最强大、最核心的优势。

• 单端信号的困境：

• • 单根信号线（Single-ended）以地为参考。信号值（0或1）是信号线与地之间的电压差。一根信号线+地线构成回路，信号值=导线对地电压（如3.3V=逻辑“1”）。致命伤：两地电位差直接叠加信号（如A点发送1V，B点地电位高0.2V → 接收0.8V）。

  • 当信号线在PCB上或电缆中长距离传输时，它就像一根天线，会很容易拾取外部的电磁干扰（EMI），例如来自电源、射频设备或其他信号线的噪声。

  • 这些噪声会直接叠加在原始信号上。接收端无法区分哪部分是原始信号，哪部分是噪声，从而导致误判，产生错误。

• 差分信号的工作原理：

• • 电压差 = (D+) - (D-) = +V - (-V) = +2V （逻辑 ‘1’）

  • 电压差 = (D+) - (D-) = -V - (+V) = -2V （逻辑 ‘0’）

  • 发送 ‘1’：(D+) = +V, (D-) = -V

  • 发送 ‘0’：(D+) = -V, (D-) = +V

  • 差分信号使用两根线（D+和D-）来传输一个信号。这两根线紧密地布在一起（通常并行且等长）。双线（如D+/D-）传输等幅反相信号，接收端仅识别电压差（如D+1.8V、D-1.5V → 逻辑“1”）。抗干扰核心：双线噪声同步抵消，地电位波动无影响。

  • 发送端产生两个幅度相等、相位相反的信号。

  • 接收端不关心对地的电压，而是检测两根线之间的电压差。

• 如何抑制噪声？

• • 接收端收到的信号变为：(D+ + ΔV) 和 (D- + ΔV)

  • 接收端计算的电压差 = (D+ + ΔV) - (D- + ΔV) = D+ - D-

  • 当外部噪声（例如一个电磁脉冲）来袭时，由于两根线紧密相邻，它们会同时、等量地被影响到。这种同时影响两根线的噪声称为共模噪声。

  • 假设一个噪声ΔV同时耦合到两根线上：

  • 看，噪声ΔV被完美地减掉了！接收端只看到了原始的差值，完美消除了共模噪声的影响。

在高速系统中，地平面并不是一个完美的、绝对的零电位。大电流的波动会导致地平面不同点之间存在电压差（地弹，Ground Bounce）。

• 对于单端信号：它的逻辑电平严重依赖于一个“干净”的地作为参考。如果发送端和接收端的地电位不一致（存在ΔGND），接收端看到的电压就会是信号电压 + ΔGND，这极易导致错误。

• 对于差分信号：它的逻辑判断基于两根信号线自身的差值，完全不依赖地平面作为参考。即使发送端和接收端的地电位有差异，也不会影响 (D+) - (D-) 的结果。这使得差分信号在复杂和 noisy 的系统中极其稳定。

• 为了表示同样的电压差（例如2V），单端信号可能需要从0V切换到2V（摆幅2V）。

• 差分信号每根线只需要从-1V切换到+1V（摆幅也是2V，但围绕0V变化）。

• 更低的电压摆幅意味着：

1. 更低的功耗：P = CV²f，功耗与电压的平方成正比。电压摆幅减半，功耗可降至原来的四分之一。

2. 更快的切换速度：对电容充放电所需的电荷更少，信号可以更快地上升和下降，从而支持更高的数据传输速率。这对于GHz级别的高速接口至关重要。

3. 更低的电磁辐射（EMI）：虽然两根线都会辐射，但因为它们的电流大小相等、方向相反，产生的磁场会相互抵消很大一部分，从而减少了整体的电磁辐射。当然，为了最佳效果，需要紧密耦合布线。

差分信号的交叉点（D+和D-相交的点）非常明确和陡峭，受噪声和电源变化的影响较小。这使得接收端能更精准地判断信号跳变的时刻，从而降低时序抖动（Jitter），提高时序裕量，这对于高速数据的同步至关重要。

差分信号的主流接口阵容，接口标准直接锁定信号类型，90%场景不由工程师自由选择：

影响信号完整性的因素

有很多方面的因素都会影响信号的完整性。就像信号的上升时间缩短、不同的信号通道之间时延不一样、频率发生变化、互联通道没有达到理想状态以及外部环境发生变化等都会影响信号完整性。然而本质原因，是因为信号的上升时间缩短。这样的话，随着上升时间越来越短，传输信号中不可避免的就会产生更多的高频分量，由于高频分量与通道之间会产生相互影响，这样就有可能给信号带来许多不可预知的畸变。

几乎全部的信号完整性问题能够分成下面 3 种问题的影响：时序、噪声、电磁干扰。

在时序内对信号完整性进行研究其实就是一个比较复杂的领域。一个时钟内，肯定会发生一定量的操作，所以需要在时间预算中划分出一小段时间并把这些时间分配给各种不同的操作。虽然时序是影响信号完整性的一个因素，但是我们一般主要是对噪声部分的问题进行的研究。

噪声部分又可以分为阻抗不连续、耦合、串扰、反射、振铃等等，这些因素之间还会相互影响相互制约，所以对信号完整性的研究是一个综合平衡各种因素的过程。

差分电路的好处是在于对称，包括传输线的长度对称，倘若做不到，差分信号转共模信号后会带来EMI和眼图等问题。上升沿速度越快，对差分长度匹配要求越高。

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