李老師是真牛哇！ 不愧是搞硬件的出生，他一張嘴我就悟了，怪不得要老師傅帶學徒，雖然聽著過癮，但是后面自己還是懵逼。

放大器里面各種的引腳，各種輸入口，最常出現的就是差分，單端，那到底是啥？

而且就像我寫的INA121里面，輸入的信號為啥是一對兒的？

看左邊

一個差分信號是用一個數值來表示兩個物理量之間的差異。 從嚴格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對于另一個電壓而言的

‘差分信號時序定位準確，差分信號的接受端是兩根線上的信號幅值之差發生正負跳變的點，作為判斷邏輯 0/1 跳變的點的。 而普通單端信號以閾值電壓作為信號邏輯0/1 的跳變點，受閾值電壓與信號幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號。

在某些系統里，系統'地'被用作電壓基準點。 當'地'當作電壓測量基準時，這種信號規劃被稱之為單端的。

單端傳輸是指用一根信號線和一根地線來傳輸信號，信號線上傳輸的信號就是單端信號。

單端信號是相對于差分信號而言的，單端輸入指信號有一個參考端和一個信號端構成，參考端一般為地端。

優點是簡單方便，缺點是抗干擾能力差。

差分傳輸是指在兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的大小相等，極性相反，這兩根線上傳輸的信號就是差分信號(差模信號)。

優點是抗干擾能力強，缺點是電路比單端傳輸的復雜。

在一個單電源系統，能夠從容精確地處理'雙極'信號。 為了處理單端，單電源系統的雙極信號，我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處(通常是中點)建立一個虛地。 用高于虛地的電壓來表示正極信號，低于虛地的電壓來表示負極信號。 接下來，必須把虛地正確地分布到整個系統里。 而對于差分信號，不需要這樣一個虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號有一個高逼真度，而無須依賴虛地的穩定性。

差分放大電路有什么作用?

差分放大電路又稱為差動放大電路，當該電路的兩個輸入端的電壓有差別時，輸出電壓才有變動，因此稱為差動。

差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號，那么什么是共模信號呢?

當兩輸入端所接信號大小相等，極性相反時，稱為差模輸入信號;

當兩輸入端所接信號大小相等、極性相同時，稱為共模信號。

實際應用中，溫度的變化各種環境噪聲的影響時共模噪聲，也稱為對地噪聲，指的是兩根線分別對地的噪聲。

差分放大電路時直接耦合放大電路的基本組成單元，對于共模信號起到很強的抑制作用，未對差模信號起到放大作用，并且電路的放大能力與輸出方式有關。

什時候使用差分?

1.信噪比很差時，也就是信號很微弱，或周遭噪聲很高 ，例如 LVDS ( Low-voltage differentialsignaling )

2.當信號路徑很長時。 當然一般而言，信號路徑是越短越好，既可減少損耗，又可防EMI擾，不論是干擾別人或是被別人干擾。 但有些信號必須走PCB內層，以獲得良好的保護時，信號路徑不得不長途跋涉此時便需要用差分信號

而如果我們想要把單端信號跟差分信號，做互相轉換的動作，便要透過 Balun.

1兩信號線要盡可能靠近

2.兩信號線的間距須從頭到尾一致

3.兩信號需等長

下面就來探討，為什么若不遵循以上三點，差分信號會發揮不出該有的優點

根據克希荷夫電流定律(Kirchhoff's currentLaws-KCL)，一個節點，只要有電流流出，便會有等量的電流進入，以下圖為例.

這表示任何信號都會有所謂的回流電流，使整體信號路徑形成一個回路。 以下圖為例，

當個單端信號由發射端(Tx)傳送到接收端(RX)時，會有一個回流電流經由GND 再回到TX，使整體路徑形成一個回路.

ADC偽差分輸入：

為了既有差分輸入的優點又有單端輸入簡單的優點，還有一種偽差分輸入，通過把信號地連到ADCIN-端實現一種類似差分的連接。

偽差分（Pseudo-differential）信號連接方式減小了噪聲，并允許在儀器放大器的共模電壓范圍內與浮動信號連接. 在偽差分模式下，信號與輸入的正端連接，信號的參考地與輸入的負端連接。 偽差分輸入減小了信號源與設備的參考地電位(地環流)不同所造成的影響，這提高了測量的精度。

偽差分輸入與差分輸入在減小地環流和噪聲方面是非常相似的，不同的方面在于，差分輸入模式下，負端輸入是隨時間變化的，而在偽差分模式下，負端輸入一定僅僅是一個參考。 描述偽差分的另外一種方式就是，輸入僅僅在打破地的環流這個意義上是差分的，而參考信號(負端輸入)不是作為傳遞信號的，而僅僅是為信號(正端輸入)提供一個直流參考點。

偽差分輸入能有效抑制共模噪聲嗎？

能部分抑制。 由于兩線對“大地”阻抗不一致，所以抑制效果有限。

偽差分輸入與差分輸入相比有哪些優缺點？

既然是“偽裝”的，原則上沒有優點只有缺點。 其缺點就是兩線不對稱，共模抑制效果有限。 硬要湊一個優點的話，就是可以勉強將單端輸出信號偽裝成差分，效果比完全單端連接效果稍好一點（解決兩端地的小范圍浮動）。

但是使用差分信號時，一個不可忽視的問題：共模電壓范圍，要求兩根線上的電壓，相對于系統的地不能太大。

傳輸 0.1V 的信號沒問題，如果一根是1000.0，另外一根是1000.1就不行。 問題在于，在很多場合下使用差分信號都是為了不讓兩個系統的地簡單地共在一起。

如果把差分信號中的一根直接接在本地系統的地上又變成了單端，如何抑制共模電壓呢？

單端轉差分怎么轉呢？ 單單將單端信號用反向跟隨器跟隨并不是不行，但是差分信號被平白地放大了2倍，常見的用儀表運放+普通運放搭建的單端轉差分是個很好的實例。

對差分電路的幾個誤區：

1、認為差分信號不需要地平面作為回流路徑，或者認為差分走線彼此為對方提供回流途徑。 造成這種誤區的原因是被表面現象迷惑，或者對高速信號傳輸的機理認識還不夠深入。 差分電路對于類似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號是不敏感的。 地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號返回路徑，其實在信號回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機理是一致的，即高頻信號總是沿著電感最小的回路進行回流，最大的區別在于差分線除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強，那一種就成為主要的回流通路. 在PCB電路設計中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占 10~20%的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。 當地平面發生不連續的時候，無參考平面的區域，差分走線之間的耦合才會提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續對差分走線的影響沒有對普通的單端走線來的嚴重，但還是會降低差分信號的質量，增加 EMI，要盡量避免。 也有些設計人員認為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？ 不給共模信號提供地阻抗回路，勢必會造成 EMI 輻射，這種做法弊大于利。

2、認為保持等間距比匹配線長更重要。 在實際的PCB布線中，往往不能同時滿足差分設計的要求。 由于管腳分布，過孔，以及走線空間等因素存在，必須通過適當的繞線才能達到線長匹配的目的，但帶來的結果必然是差分對的部分區域無法平行。 PCB 差分走線的設計中最重要的規則就是匹配線長，其它的規則都可以根據設計要求和實際應用進行靈活處理。

3、認為差分走線一定要靠的很近。 讓差分走線靠近無非是為了增強他們的耦合，既可以提高對噪聲的免疫力，還能充分利用磁場的相反極性來抵消對外界的電磁干擾。 雖說這種做法在大多數情況下是非常有利的，但不是絕對的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過彼此的強耦合達到抗干擾和抑制 EMI 的目的了。 如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？ 增大與其它信號走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場能量是隨著距離呈平方關系遞減的，一般線間距超過4 倍線寬時，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。 此外，通過地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結構在高頻的（10G 以上）IC封裝PCB 設計中經常會用采用，被稱為CPW結構，可以保證嚴格的差分阻抗控制（2Z0）。 差分走線也可以走在不同的信號層中，但一般不建議這種走法，因為不同的層產生的諸如阻抗、過孔的差別會破壞差模傳輸的效果，引入共模噪聲。 此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周圍走線適當的間距，串擾就不是個問題。 在一般頻率（GHz 以下），EMI 也不會是很嚴重的問題，實驗表明，相距 500Mils 的差分走線，在3 米之外的輻射能量衰減已經達到 60dB，足以滿足 FCC的電磁輻射標準，所以設計者根本不用過分擔心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問題。

4、差分曼切斯特編碼并不是差分信號的一種，它指的是用在每一位開始時的電平跳變來表示邏輯狀態“0”，不跳變來表示邏輯狀態“1”。 但每一位中間的跳變是用來做同步時鐘，沒有邏輯意義。

5、雙絞線上面走的不一定是差分信號，單端信號在雙絞線上的電磁輻射也比平行走線的輻射小。

審核編輯：湯梓紅