差分传输及其应用

Posted 2022-12-10 夏沫の浅雨

写在前面：

本文章旨在总结备份、方便以后查询，由于是个人总结，如有不对，欢迎指正；另外，内容大部分来自网络、书籍、和各类手册，如若侵权请告知，马上删帖致歉。

目录

• • 一、差分信号跟单端信号
  • • • 1、差分信号
      • 2、单端信号
      • 3、比较
  • 二、应用场景
  • • • 1、USB总线
      • 2、Ethernet（以太网）
      • 3、RS485和 RS422
      • 4、CAN Bus
      • 5、PCI-E
      • 6、SATA
      • 7、HDMI
      • 8、LVDS

一、差分信号跟单端信号

1、差分信号

指在两根线上都传输信号，这两个信号的大小相等，极性相反，这两根线上传输的信号就是差分信号（差模信号），简单的说就是在同一时间段内，通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态 “0” 还是 “1” 。

2、单端信号

也叫单端走线；即平常所看到的单一数据线进行传输，从物理角度来讲，其实并不是只有一条线，它是有参考点的，其参考点是地平面；实际是指用一根信号线和一根地线来传输信号。

3、比较

差分信号与传统的一根信号线一根地线（即单端信号传输）走线的做法相比，其优缺点分别是：

优点：

1. 抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为0，即，噪声对信号的逻辑意义不产生影响。
2. 能有效抑制电磁干扰（EMI）。由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的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。
3. 时序定位准确。差分信号的接收端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑 0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑 0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

缺点：

1. 若电路板的面积非常吃紧，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面，而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小，以至于只能穿过一根走线的情况下。

总结：

	差分信号传输	单端信号传输
优点	抗干扰能力强	简单方便
缺点	传输复杂	抗干扰能力差

二、应用场景

在电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。与之相关的还有一个蛇形走线，蛇形线是 Layout中经常使用的一类走线方式；其主要目的就是为了调节延时，满足系统时序设计要求。

那么，差分线，一般应用在哪里呢？

答：一般在 USB 、以太网、PCI-E、SATA、RS485、RS422、HDMI、LVDS、CAN这些会出现。

常用对表示方法有：+/- 、PM/PN 、TXN/TXP

1、USB总线

USB协议定义由两根差分信号线（D+、D-）传输数字信号，若要 USB设备工作稳定差分信号线就必须严格按照差分信号的规则来布局布线。

2、Ethernet（以太网）

早期的以太网，其传输速率只有几兆；像 ”1BASE5“ ─ ─ 也称为星型局域网，速率是 1Mbit/s，在商业上很失败，但同时也是双绞线的第一次使用。而一般用到双绞线的链路，基本上都是差分信号传输。

3、RS485和 RS422

RS485和 RS422同属 UART（通用异步收发传输器）类属性，它们只是接口不同。

RS485和 RS422可以从以前的 常用逻辑电平标准总结 这篇可以了解到，它们的逻辑数据表示方式是以 AB两线间的电压差来决定其某一时间的逻辑状态

4、CAN Bus

CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用；其通信距离最远可达 10KM(速率低于 5Kbps)速率可达到 1Mbps（通信距离小于40M）。

可以通过之前的 CAN总线（Controller Area Network bus）协议（一） 文章去了解其拓扑和设计，就知道为什么使用双绞线差分传输了。

5、PCI-E

这个我们在电脑上见的多了，PCI Express，简称 PCI-E，官方简称 PCIe，是计算机总线的一个重要分支，它沿用现有的PCI编程概念及信号标准，并且构建了更加高速的串行通信系统标准；PCIe拥有更快的速率，所以几乎取代了以往所有的内部总线（包括[AGP和PCI）。

要说为什么是差分信号传输呢，这是由于它需要那超高速的传输速率：

那么，我们可以想象，为什么它接口引线设计像下图这样：

而不是像以下这样节省面积呢？

嘛，这就是前面说的，差分信号一定要两根等长、等宽、紧密靠近，而且它还这么多对。。。

6、SATA

跟上面的 PCI-E差不多，常见于计算机中，是一种电脑总线，负责主板和大容量存储装置（如[硬盘及光驱）之间的數據传输。

7、HDMI

HDMI是一种全数字化影像和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。目前是被设计来取代较旧的模拟信号影音发送接口如 SCART或 RCA等端子的。

同样的也是高速率传输，而且从引脚定义上看：

嗯嗯，差分传输少不了了。

8、LVDS

LVDS全称 Low-Voltage Differential Signaling，即：低电压差分信号；如其名字，必是差分信号传输。

它是一种电子信号系统，可满足现今对高性能资料传输应用的需求，同时系统供电电压减低到 2伏特，适用于分辨率高于 SVGA的 TFT LCD显示设备，目前已得到了广泛的应用，甚至可以嵌入到 FPGA、ASIC或其他组件身上。也可以从 常用逻辑电平标准总结 这里了解其产生的原因及 PCB常规要求。