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      什么是差分信號?差模和共模信號,差分放大電路詳解

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2022-12-08

           差分傳輸是一種信號傳輸的技術,區別于傳統的一根信號線一根地線的做法,差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號,這兩個信號的振幅相同,相位相反。在這兩根線上的傳輸的信號就是差分信號。
      差分信號圖解 
      信號接收端比較這兩個電壓的差值來判斷發送端發送的邏輯狀態,在電路板上,差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線,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,一般在高速信號中, 其電壓幅度比較低, 像MIPI DSI規范低速振幅=1200mv, 而高速振幅=200mv, 所以采用上面的單端走線的話抗干擾能力實在太差了, 因此高速(低振幅)大部分是使用差分信號。如下圖
      RS485信號,差分信號示意圖 
      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。
      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租用,并且電路的放大能力與輸出方式有關。
      基本的差分放大電路 
      為了提高信號在高速率、長距離情況下傳輸的可靠性,大部分高速的數字串行總線都會采用差分信號進行信號傳輸。差分信號是用一對反相的差分線進行信號傳輸,發送端采用差分的發送器,接收端相應采用差分的接收器。下圖是個差分線的傳輸模型及真實的差分PCB走線。
      差分線的傳輸模型及真實的差分PCB走線 
      采用差分傳輸方式后,由于差分線對里正負信號的走線是緊密耦合在一起的,所以外界噪聲對于兩根信號線的影響是一樣的。而在接收端,由于其接收器是把正負信號相減的結果做為邏輯判決的依據,因此即使信號線上有嚴重的共模噪聲或者地電平的波動,對于最后的邏輯電平判決影響很小。相對于單端傳輸方式,差分傳輸方式的抗干擾、抗共模噪聲能力大大提高。下圖是一個差分傳輸對共模噪聲抑制的一個例子。
      受到嚴重共模噪聲干擾的差分信號 
      采用差分方式進行信號傳輸會使得收發端的電路變得復雜,系統的功耗也隨之上升,但是由于其優異的抗干擾能力以及可靠的傳輸特性,使得差分傳輸方式在需要進行高速數字信號的傳輸或者惡劣工作環境的領域得到了廣泛的應用,如LVDS、PCI-E、SATA、USB、HDMI、1394、CAN、Flexray等總線都是采用差分的信號傳輸方式。
            訊號傳輸模式其實很簡單差模信號通過一對信號線來傳輸。一個信號線上傳輸我們通常所理解的信號;另一個信號線上則傳輸一個等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號。差分和單端模式最初出現時差異不大,因為所有的信號都存在回路。單端模式的信號通常經由一個零電壓的電路(或者稱為地)來返回。差分信號中的每一個信號都要通過地電路來返回。由于每一個信號對實際上是等值而反向的,所以返回電路就簡單地互相抵消了,因此在零電壓或者是地電路上就不會出現差分信號返回的成分, 共模方式是指信號出現在一個(差分)信號線對的兩個信號線上,或者是同時出現在單端信號線和地上。對這個概念的理解并不直觀,因為很難想象如何產生這樣的信號。這主要是因為通常我們并不生成共模信號的緣故。共模信號絕大多數都是根據假想情況在電路中產生或者由鄰近的或外界的信號源耦合進來的噪聲信號。共模信號幾乎總是“有害的”,許多設計規則就是專為預防共模信號出現而設計的。
           差模信號與共模信號的轉化傳輸線中不僅存在傳播信息的差模信號,還有不傳播信息的共模信號,理想情況是不存在相互轉化的,但是理想很豐滿,現實很骨感。差模信號與共模信號的轉化是由于差分傳輸線不對稱造成的,造成不對稱的原因很多,差分傳輸線的長度差像拐角、差分傳輸線由于刻蝕差異造成傳輸線特性阻抗不同、兩個傳輸線的差異性耦合、臨近效應、終端差異,彎曲等等都可能是造成差模信號與共模信號的轉化。這種轉化我們可以理解為兩條傳輸線的延遲是不同的,當信號在傳輸線上傳播由于到達終端的延遲是不同的,一個早一些到達,這樣就會產生相位差,將部分差模信號轉化成共模信號。轉化的為共模信號的多少由信號頻率、傳輸線的長度、兩條傳輸線上的信號時延差所決定的。

      在小信號進行長距離的傳輸時,為了盡量減小干擾,一般都是使用的差分信號的方式進行傳輸。差分信號需要用兩根信號線進行傳輸,最常見的應用就是生活中的雙絞線了。

      網線使用雙絞線傳輸差分信號 

      Tags:差分信號,差模信號,共模信號  
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