关于差分信号该了解的知识

      差分信号只是使用两根信号线传输一路信号，依靠信号间电压差进行判决的电路，既可以是模拟信号，也可以是数字信号。实际的信号都是模拟信号，数字信号只是模拟信号用门限电平量化后的取样结果。因此差分信号对于数字和模拟信号都可以定义。

　　一个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”（GND）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。

　　VDS不是传输速率快，是抗干扰能力强。有信号时，一棵线电压+V，另一棵线电压-V，接收端获得的信号是两者的差值+V-（-V）=2V。外界的干扰信号在两棵线中山上的是同样幅度和极性的+v信号，在接收端差值的过程中互相抵消了。由于抗干扰能力强，数字信号不易出错，可以避免因校验出错引起的重发，从这个意义上说差分信号传输速率。

　差分的概念在《模拟电路》课程里已经学习过了。差分信号是一对大小相等而极性相反的对称信号，差分信号用于传输有用的信号。共模信号是作用于差分信号线上的一对大小相等极性也相同的信号，共模信号往往来自于外部干扰。差分信号在接收端是靠差分放大器来检测的。差分放大器只对两路输入信号之间的差值起放大作用，而对两路输入信号共同对地的电位不起作用。

　　差分传输的信号能够对外部干扰能够起到很强的抗干扰能力。

　  原始的输入信号经过倒相器和缓冲器之后形成一对大小相等而极性相反的差分信号。对模拟信号，倒相器可以用运算放大器的反相比例放大电路来实现，缓冲器可以用运算放大器的同相跟随电路来实现。对数字信号，可以分别用“非门”逻辑和同相缓冲器来实现。

　　差分信号在PCB（印制线路板）上被安排成“密近平行线”（PCB布线要领！），用电缆连接两台设备时则采用并行排线或双绞线。在差分信号传输过程中会遇到外部干扰信号，但是，由于两根差分信号线始终在一起，因此干扰信号一般都会同时作用在两根信号线上，形成叠加在两根信号线上大小相等相位也相同的共模信号。到了接收端，差分放大器只对差分信号（有用信号）敏感，而对共模信号（干扰信号）形成抑制。这样，差分传输的信号就具备了很强的抗干扰能力，因此特别适用于中远距离通信或高速通信。相比之下，UART的两根信号线TXD和RXD就不适合于远距离通信，因为不是差分信号，所以一旦遇到外部干扰，信号就会严重畸变，在接收端因无法区分有用信号的和干扰信号而会形成大量的误码。

　　简单地讲，差分信号就是两个相关信号的差值，本文介绍的是电压差分信号，它已经广泛的用于音频、数据传输和电话中。虽然比单端输入信号系统要复杂，但差分信号系统的优点是明显的。第一，差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源对差分信号对的每一端影响都是相同的。因为由电压差来决定信号，两边的干扰相抵，信号便不会有大幅的变化。第二，差分信号有利于识别微小信号。在差分信号系统中，基准点是由使用者来确定的，可以选择两输入端的平均信号作为基准点，这就减小了信号的摆动范围。第三，单端输入系统的信号要依靠虚地，而差分信号就不需要这样一个虚地，增加了双极型信号的保真度和稳定性。第四，差分信号的时序定位精确。差分信号受工艺和环境温度的影响小，可降低时序上的误差。目前流行的LVDS就是一种小振幅差分信号技术。

　　差分放大器就是接受和输出差分信号的器件，同运算放大器一样，它能接收双端输入，不同的是它具有双输出端，而不像运算放大器只有单端口。在差分放大器中，其输出共模电压（VOCM）能独立地被差分电压控制。图1是差分放大器的简明原理图。

　图1 标准的差分放大器

　　差分放大器有几个优点。第一是抗噪声能力，这一点在介绍差分信号时已经提及了。第二个优点是增加了差分输出电压摆动（见图2）。这其中的道理也不复杂，输出端的两电压为反相，其差值当然是单端输出的2倍了。第三个优点是减少了偶数阶的信号失真。为了解释这个道理，我们把输出端电压表示成输入端的多阶函数合。

　　图2 差分输出电压摆

　　Vout+ = k1Vin + k2Vin2 + k3Vin3 + … ， （1）

　　Vout- = k1（-Vin） + k2（-Vin）2 + k3（-Vin）3+… （2）

　　Vod = Vout-Vout-=2k1Vin + 2k3Vin3 + … （3）

　　从式（3）中可以看出，偶数阶被消去了。

　　为了适应市场的发展，各家公司纷纷推出了各自的差分放大器产品，像TI公司的THS4520，MAXIM公司的MAX4198/MAX4199等。凭借着工艺的进步，这些产品的技术参数都达到了很高的水平。以AD4937为例，其输入电压噪声为2.2nV/√Hz； 1.6GHz的-3dB带宽，增益G=1；压摆率为5000V/μS；在125MHz时有 0.1dB增益平坦度带宽；能驱动从直流到100MHz的ADC。