分析差分信號(hào)的原理及其在PCB設(shè)計(jì)上的處理方法
發(fā)布時(shí)間:2020-03-13 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】差分線是 PCB 設(shè)計(jì)中非常重要的一部分信號(hào)線,信號(hào)處理要求也是相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn),今天為大家介紹下差分信號(hào)的原理以及其在 PCB 設(shè)計(jì)中的處理方法。
差分線是 PCB 設(shè)計(jì)中非常重要的一部分信號(hào)線,信號(hào)處理要求也是相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn),今天為大家介紹下差分信號(hào)的原理以及其在 PCB 設(shè)計(jì)中的處理方法。
什么是差分信號(hào)
差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù),區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法,差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào),這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等,相位相差 180 度,極性相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。
差分信號(hào)與單端信號(hào)的區(qū)別
單端信號(hào)指的是用一個(gè)線傳輸?shù)男盘?hào),一根線沒參考點(diǎn)怎么會(huì)有信號(hào)呢?參考點(diǎn)就是地啊。也就是說,單端信號(hào)是在一跟導(dǎo)線上傳輸?shù)呐c地之間的電平差。那么當(dāng)你把信號(hào)從 A 點(diǎn)傳遞到 B 點(diǎn)的時(shí)候,有一個(gè)前提就是 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢應(yīng)該差不多是一樣的。
差分信號(hào)指的是用兩根線傳輸?shù)男盘?hào),傳輸?shù)氖莾筛盘?hào)之間的電平差。當(dāng)你把信號(hào)從 A 點(diǎn)傳遞到 B 點(diǎn)的時(shí)候,A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢可以一樣也可以不一樣,但是 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的地電勢差有一個(gè)范圍,超過這個(gè)范圍就會(huì)出問題了。
一個(gè)差分信號(hào)是用一個(gè)數(shù)值來表示兩個(gè)物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來講,所有電壓信號(hào)都是差分的,因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對于另一個(gè)電壓而言的。在某些系統(tǒng)里,系統(tǒng)地被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)?shù)禺?dāng)作電壓測量基準(zhǔn)時(shí),這種信號(hào)規(guī)劃被稱之為單端的。我們使用該術(shù)語是因?yàn)樾盘?hào)是用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來表示的。
另一方面,一個(gè)差分信號(hào)作用在兩個(gè)導(dǎo)體上。信號(hào)值是兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓差。盡管不是非常必要,這兩個(gè)電壓的平均值還是會(huì)經(jīng)常保持一致。我們用一個(gè)方法對差分信號(hào)做一下比喻,差分信號(hào)就好比是蹺蹺板上的兩個(gè)人,當(dāng)一個(gè)人被蹺上去的時(shí)候,另一個(gè)人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續(xù)蹺蹺板的類推,正值可以表示左邊的人比右邊的人高,而負(fù)值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個(gè)人都是同一水平。這兩個(gè)蹺蹺板用一對標(biāo)識(shí)為 V+和 V- 的導(dǎo)線來表示。當(dāng) V+>V- 時(shí),信號(hào)定義成正極信號(hào),當(dāng) V+
差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)一,相對于單端信號(hào),差分信號(hào)減小了潛在的電磁干擾(EMI)。使用差分方式傳輸,信號(hào)的電壓峰峰值會(huì)被放大了一倍,但是單根線上的電流卻保持不變。如果采用傳統(tǒng)的單線傳輸方式,在驅(qū)動(dòng)相同的信號(hào)時(shí),更容易造成 EMI 問題。
優(yōu)點(diǎn)二,差分信號(hào)的值很大程度上與“地”的精確值無關(guān),能很好的抵抗電源的干擾。在一個(gè)地做基準(zhǔn),單端信號(hào)方案的系統(tǒng)里,測量信號(hào)的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)地的一致性。信號(hào)源和信號(hào)接收器距離越遠(yuǎn),他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號(hào)恢復(fù)的信號(hào)值在很大程度上與地的精確值無關(guān),而在某一范圍內(nèi)。假如兩條信號(hào)都收到同樣的(同向、等幅度)的干擾信號(hào),由于接收端是對接收的兩條線信號(hào)進(jìn)行減法處理,因此干擾信號(hào)會(huì)被基本抵消。也就是說,一個(gè)差分放大器的輸入有效信號(hào)幅度只需要幾毫伏,但是它卻能夠?qū)σ粋€(gè)高達(dá)幾伏特的共模信號(hào)無動(dòng)于衷。
優(yōu)點(diǎn)三,差分對內(nèi)每根信號(hào)都有自己的返回路徑,能夠減輕信號(hào)跨分割帶來的影響。單線跨分割對傳輸線的影響很大,差分線對跨分割就不是那么敏感,主要原因就是,差分對兩線可以互為參考,兩根線可以相互作為返回路徑。
差分信號(hào)在做 pcb 設(shè)計(jì)時(shí)的處理方法
一般我們在做 PCB 設(shè)計(jì)時(shí),習(xí)慣的硬件命名上,會(huì)在差分信號(hào)的信號(hào)名尾部加“+”和“-”或者“P”和“N”作為標(biāo)識(shí),大家可以通過命名來識(shí)別差分信號(hào)。常規(guī)的差分信號(hào)處理方法是:
1、 差分信號(hào)走線要耦合處理,就是 2 根信號(hào)線在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)是緊挨著的,不允許分開走線,如下圖示。
2、一對差分信號(hào)的 2 根信號(hào)線之間需要做等長處理,等長范圍為 5mil,等長不需要做到更小,有仿真驗(yàn)證,等長范圍做到 5mil 以下(1mil)并不能對信號(hào)質(zhì)量有很大提升。等長處理的位置選擇在產(chǎn)生長度誤差的地方,等長需要做小波浪處理。如下圖示。
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