什么是差分？

驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)大小相等，方向相反的信號(hào)，接收端會(huì)有一個(gè)相減器，比較這兩信號(hào)的差值，來(lái)判斷邏輯位是0 或是1，承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線，即稱為差分走線，或差動(dòng)對(duì)。

圖 1. 差動(dòng)對(duì)

上圖是差動(dòng)對(duì)示意圖。兩個(gè)大小相同，方向相反的信號(hào)，分別在兩個(gè)導(dǎo)體上傳輸，其兩信號(hào)的差，即為差分信號(hào)。用數(shù)學(xué)式表示 ：

如果用蹺蹺板來(lái)表示 ：

圖 2. 蹺蹺板示意圖

所謂的正電壓跟負(fù)電壓，都是V1 跟V2比較出來(lái)的結(jié)果。

這點(diǎn)跟傳統(tǒng)的單端信號(hào)不一樣。單端信號(hào)中，所謂的正電壓或負(fù)電壓，是跟GND （ 電位 = 0 ） 比較出來(lái)的。上面圖1 也可以看成兩個(gè)單端信號(hào)：

圖 3. 雙絞線

日常生活中常見(jiàn)的雙絞線，就是典型的差分信號(hào)，但它是立體3D的。該文主要還是針對(duì)平面式差動(dòng)對(duì)來(lái)做探討。

為什么要用差分 ？

使用差分信號(hào)的第一個(gè)好處，就是具錯(cuò)誤更正效果。

圖 4. 有噪聲的單端信號(hào)

由上圖知道，如果在單端信號(hào)中有噪聲，即VERROR，則會(huì)直接進(jìn)入接收器，嚴(yán)重一點(diǎn)可能會(huì)造成邏輯誤判。在那些對(duì)于時(shí)序有很精密要求的系統(tǒng)中，會(huì)有很重大的影響。

圖 5. 有噪聲的差分信號(hào)

由（3）式知道，差分信號(hào)為兩信號(hào)的差，因此圖5 中，接收器接收到的信號(hào)為

因?yàn)檎盘?hào)跟負(fù)信號(hào)上的VERROR大小相等，因此（6）式的差分信號(hào)，其VERROR會(huì)被消除掉。若以圖表示之 ：

圖 6. 有噪聲的差分信號(hào)

由圖6 可知其差動(dòng)對(duì)的噪聲，會(huì)透過(guò)相減器消除，使輸出信號(hào)干凈無(wú)瑕。

第二個(gè)好處，就是防EMI 干擾，不論是干擾別人或是被別人干擾，都可有效抑止。這也是為什么高速信號(hào)一般都用差分信號(hào)，以加強(qiáng)其信號(hào)完整性，將失真度降到最低。

圖 7. 差分信號(hào)之耦合示意圖

B 跟C 為差分對(duì)，而A 為鄰近的信號(hào)。在PCB 板面積極為有限的產(chǎn)品，例如手機(jī)，A 跟B、C 有可能會(huì)靠得很近，在這情況下，A 會(huì)把能量耦合到B跟 C，以S 參數(shù)表示，A 耦合到B 為SBA ，A 耦合到C 為SCA 。當(dāng)B 跟C 夠緊密時(shí)，則SBA = SCA ，而又因?yàn)锽 跟C 的信號(hào)方向相反，所以SBA跟SCA是等量又反向，如此一來(lái)， SBA跟SCA會(huì)相消，這就是為何差動(dòng)對(duì)可以防止被其他信號(hào)干擾之故。

什時(shí)候使用差分？

1. 信噪比很差時(shí)，也就是信號(hào)很微弱，或周遭噪聲很高，例如LVDS （ Low-voltage differential signaling ） 。

2. 當(dāng)信號(hào)路徑很長(zhǎng)時(shí)。當(dāng)然一般而言，信號(hào)路徑是越短越好，既可減少損耗，又可防EMI 干擾，不論是干擾別人或是被別人干擾。但有些信號(hào)必須走PCB內(nèi)層，以獲得良好的保護(hù)時(shí)，信號(hào)路徑不得不長(zhǎng)途跋涉。此時(shí)便需要用差分信號(hào)。

而如果我們想要把單端信號(hào)跟差分信號(hào)，做互相轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，便要透過(guò)Balun。

怎樣使用差分？

當(dāng)然差分信號(hào)，有其該注意的地方，否則便會(huì)發(fā)揮不出該有的優(yōu)點(diǎn)。

1. 兩信號(hào)線要盡可能靠近

2. 兩信號(hào)線的間距須從頭到尾一致

3. 兩信號(hào)需等長(zhǎng)

下面就來(lái)探討，為什么若不遵循以上三點(diǎn)，差分信號(hào)會(huì)發(fā)揮不出該有的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)克希荷夫電流定律 （Kirchhoff‘s current Laws-KCL），一個(gè)節(jié)點(diǎn)，只要有電流流出，便會(huì)有等量的電流進(jìn)入，以下圖為例 ：

圖8. KCL

這表示任何信號(hào)都會(huì)有所謂的回流電流，使整體信號(hào)路徑形成一個(gè)回路。以圖9為例，當(dāng)一個(gè)單端信號(hào)由發(fā)射端 （Tx）傳送到接收端 （RX）時(shí)，會(huì)有一個(gè)回流電流經(jīng)由GND 再回到Tx，使整體路徑形成一個(gè)回路。

圖9. 單端信號(hào)回流電流示意圖

而由圖9 也知道，在形成回路過(guò)程中，會(huì)有電磁波輻射，進(jìn)而產(chǎn)生EMI 干擾，而EMI 強(qiáng)度跟回路面積有關(guān)。所以為什么信號(hào)路徑越短越好，主要原因就是回路面積縮小，其產(chǎn)生的EMI 干擾也跟著減弱。

圖10. 差分信號(hào)回流電流示意圖

至于差分信號(hào)，其回流電流是沿著另一條信號(hào)，不會(huì)流過(guò)GND。因此為什么兩信號(hào)線要盡可能靠近，在圖7 說(shuō)明過(guò)，可以防止信號(hào)被干擾。如果B 跟C 離太遠(yuǎn)，則 SBA 》 SCA，如此一來(lái)， SBA 跟SCA不會(huì)完全相消，會(huì)有殘留的SBA，即B還是會(huì)受到A 的干擾。

另外由圖10 知，兩信號(hào)線的間距，會(huì)決定回路面積，因此間距小，回路面積就小，產(chǎn)生的EMI 也小，不會(huì)去干擾別人。

承上，那么差分信號(hào)的長(zhǎng)度，也會(huì)決定回路面積，是不是差分信號(hào)的長(zhǎng)度，越短越好 ？ 答案是肯定的，我們?cè)诘? 頁(yè)說(shuō)過(guò)，信號(hào)路徑是越短越好，既可減少損耗，又可防EMI 干擾，長(zhǎng)途跋涉是不得不的選擇，這點(diǎn)不管單端或差分信號(hào)都適用。另外，以圖7 為例，其差分阻抗為2（Z0 - ZBC）， Z0為特性阻抗，ZBC是來(lái)自B 跟C 的相互耦合所產(chǎn)生的阻抗，跟B C 間的間距有關(guān)，故兩信號(hào)線的間距須從頭到尾一致，這樣ZBC才會(huì)固定，其差分阻抗2（Z0 - ZBC）也才會(huì)一致，避免因阻抗不匹配而導(dǎo)致反射。

圖11. 不等長(zhǎng)的差分信號(hào)

嚴(yán)重減損的惡劣環(huán)境下，必須要用差分信號(hào)的走線，來(lái)使失真度降到最低。因此，如果今天信號(hào)在這些惡劣環(huán)境下，依然走單端形式，那么其信號(hào)完整性必定大大降低。圖11 中，B 跟C 為差動(dòng)對(duì)，A 為鄰近信號(hào)。在length 1 中，B 跟C 靠得夠近，因此不會(huì)去干擾A，也不會(huì)被A 干擾。同時(shí)，間距也一致，不會(huì)造成阻抗變化而導(dǎo)致反射。但是，因?yàn)锽 跟C 的長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致length 2 中，只有B信號(hào)，這樣就變成單端信號(hào)了。因?yàn)槭褂貌罘中盘?hào)的環(huán)境，多半是對(duì)于信號(hào)完整性有嚴(yán)重減損的惡劣環(huán)境，若該環(huán)境下依然走單端形式，那么其信號(hào)完整性必定大大降低。因此在使用差分信號(hào)時(shí)，須嚴(yán)格要求兩信號(hào)線長(zhǎng)度一致。

差分信號(hào)的缺點(diǎn)

當(dāng)然差分信號(hào)，也不是沒(méi)有缺點(diǎn)，否則所有信號(hào)都一律走差分形式就好了。

最主要是會(huì)造成走線跟零件的數(shù)量變兩倍，導(dǎo)致成本增加，以及l(fā)ayout 的面積跟復(fù)雜度提高，因此，多半是關(guān)鍵的信號(hào)線才會(huì)走差分形式，例如數(shù)字高速信號(hào)。

接地

在此針對(duì)接地的概念，再做更詳細(xì)說(shuō)明。前面提到，任何信號(hào)都會(huì)有所謂的回流電流，使整體信號(hào)路徑形成一個(gè)回路。單端信號(hào)的回流電流是經(jīng)由GND，而單端信號(hào)中，所謂的正電壓或負(fù)電壓，是跟GND （ 電位 = 0 ） 比較出來(lái)的。因此若 GND 的電位非恒為0，則會(huì)造成ERROR V ，但差動(dòng)對(duì)因?yàn)槠浠亓麟娏魇茄刂硪粭l信號(hào)，不會(huì)流過(guò)GND，因此即使GND 的電位非恒為0，也不會(huì)影響其信號(hào)的電壓，就算有ERROR V ，由圖6 可知，也會(huì)透過(guò)相減器消除。

另外，若是GND 離單端信號(hào)太遠(yuǎn)，則會(huì)使回路面積變大，導(dǎo)致產(chǎn)生的EMI 干擾也跟著變大。或是GND 有不連續(xù)面，其單端信號(hào)的信號(hào)完整性也會(huì)跟著受到影響，然而由于差動(dòng)對(duì)因?yàn)槠浠亓麟娏鞑粫?huì)流過(guò)GND，因此即便GND 有不連續(xù)面，其差動(dòng)對(duì)的信號(hào)完整性也不會(huì)有太大影響。

那么，如果GND 離差分信號(hào)太遠(yuǎn)，會(huì)如同單端信號(hào)一樣，導(dǎo)致EMI干擾也跟著變大嗎？

圖12. 差動(dòng)對(duì)的感應(yīng)電流

差動(dòng)對(duì)的回流電流，固然不會(huì)經(jīng)過(guò)GND，但是依然會(huì)在下方的GND Plane，感應(yīng)出一個(gè)相反方向的電流回路，其感應(yīng)電流的回路面積跟上方的差動(dòng)對(duì)回路面積成正比，因此差分信號(hào)的間距要盡可能小，走線長(zhǎng)度要盡可能縮短，這樣差動(dòng)對(duì)回路面積才會(huì)小，其下方感應(yīng)電流的回路面積跟著變小，使產(chǎn)生的EMI 干擾降到最低。

或許有人問(wèn)，那可以把下方的GND Plane 拿掉嗎？ 這樣就不會(huì)有感應(yīng)電流回路，否則一但差動(dòng)對(duì)的回路面積過(guò)大，則感應(yīng)電流的回路面積跟著過(guò)大，等于有兩個(gè)EMI 干擾來(lái)源。答案是不行，除非有辦法保證差動(dòng)對(duì)的長(zhǎng)度，可以完全等長(zhǎng)，否則一旦差動(dòng)對(duì)的長(zhǎng)度有些許的差異，如同圖11 的length 2，則會(huì)變成單端信號(hào)，而單端信號(hào)的回流電流會(huì)經(jīng)過(guò)GND，若把下方的GND Plane 拿掉，那么該單端信號(hào)的回流電流，會(huì)自己繞遠(yuǎn)路，去尋找遠(yuǎn)方的GND，來(lái)形成一個(gè)回路，這樣等于是讓回路面積加大，其EMI 的干擾會(huì)跟著加大。

因此，再回到13 頁(yè)的問(wèn)題，如果GND 離差分信號(hào)太遠(yuǎn)，其EMI 干擾會(huì)變大嗎？

答案是會(huì)，除非有辦法保證差動(dòng)對(duì)的長(zhǎng)度，可以完全等長(zhǎng)，否則會(huì)變成單端信號(hào)，如此的話，回路面積加大，其EMI 的干擾會(huì)跟著加大。