差分信号和单端信号概述

差分信号与单端信号概述

差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：

a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

b.能有效抑制EMI(电磁干扰)，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。

c. 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。

1、共模电压和差模电压

我们需要的是整个有意义的“输入信号”，要把两个输入端看作“整体”。就像初中时平面坐标需要用 x,y 两个数表示，而到了高中或大学就只要用一个“数”v，但这个 v 是由 x,y 两个数构成的“向量”……

而共模、差模正是“输入信号”整体的属性，差分输入可以表示为

vi = (vi+, vi-)也可以表示为vi = (vic, vid)。c 表示共模，d 表示差模。两种描述是完全等价的。只不过换了一个认识角度，就像几何学里的坐标变换，同一个点在不同坐标系中的坐标值不同，但始终是同一个点。

运放的共模输入范围：器件（运放、仪放……）保持正常放大功能（保持一定共模抑制比 CMRR）条件下允许的共模信号的范围。

显然，不存在“某一端”上的共模电压的问题。但“某一端”也一样存在输入电压范围问题。而且这个范围等于共模输入电压范围。

道理很简单：运放正常工作时两输入端是虚短的，单端输入电压范围与共模输入电压范围几乎是一回事。对其它放大器，共模输入电压跟单端输入电压范围就有区别了。例如对于仪放，差分输入不是 0，实际工作时的共模输入电压范围就要小于单端输入电压范围了。

可以通俗的理解为：

两只船静止在水面上，分别站着两个人，A和B。 A和B相互拉着手。当船上下波动时，A才能感觉到B变化的拉力。这两个船之间的高度差就是差模信号。当水位上升或者下降时，A并不能感觉到这个拉力。这两个船离水底的绝对高度就是共模信号。

于是，我们说A和B只对差模信号响应，而对共模信号不响应。当然，也有一定的共模范围了，太低会沉到水底，这样船都无法再波动了。太高，会使会水溢出而形成水流导致船没法在水面上停留。理论上，A

和B应该只是对差模有响应。

但实际上，由于船上下颠簸，A和B都晕了，明明只有共模，却产生了幻觉：似乎对方相对自己在动。这就说明，A和B内力较弱，共模抑制比不行啊。说笑了啊，不过大致也就是这个意思。

当然,差模电压也不可以太大，否则会导致把A和B拉开。

主要是这句“共模是两输入端的算术平均值,差模是直接的同相端与反相端的差值”。

共模电压应当是从源端看进来时，加到放大电路输入端的共同值，差模则是加到放大电路两个输入端的差值。

共模电压有直流的，也有交流的。直流的称为直流共模抑制（比），交流的称为交流共模抑制（比），统称共模抑制（比）。一般的放大器特别是仪表放大器，有较好的直流共模抑制，但对交流共模抑制，频率一高往往就不行了----急剧下降，即频率响应不行。

一般的信号均有源阻抗，此阻抗可以不同程度破坏电路的对称性，因此，用差分放大器时要小心它引起的误差。参考相关数据数册。

不仅仅是在运放电路中。只要是电信号传输，都可以分为共模和差模

差模是两根信号线之间的。共模是信号对地的

所以只要有信号传输就有共模干扰。

准确说是：一根线共模和差模叠加在一起，无法区分，只有双线传输才能区分共模和差模。先看共模和差模的由来，也就是这种区分的价值

1. 传导干扰下：假设系统的公共参考点（“地”）受干扰，电位发生了波动。其实电位这个概念严格说只有相对意义，一个孤立点不存在什么“电位”，所以波动一定要相对另一个参考点的，例如：大地，或与你的板子或整机相连的那个设备的参考点。这时，两个设备间的两根信号线上的干扰是近似相同的。

2. 空间耦合干扰下：电磁波具有一定的空间连续性，在很小的空间内，可以认为电磁波是均匀的，如果两根线靠得很近，两根线所受干扰也是近似相同的。

按一般说法，任意一根信号线相对地线所受干扰，就是共模干扰。但只有双线传输时，共模和差模的区分才有价值。而且，一根线可以有“共模”，但没有差模。

当然，概念也是人为定的。要么按公认说法（事实标准），要么按权威定义，比如，IEEE标准。

下面我们再来举个例子来看看：

差分运放一端加3 v 一端 2v相当于一端加vd=0.5vc=2.5；一端加:vd=-0.5 vc=2.5。

任何一种信号,都是共模与差模的复合，但是是什么决定了哪些是共模哪些是差模,就是看参考的信号了。单纯的讲一根线是没有意义的，参考地其实只不过是以地为0信号。如果一端是VI，那么地端相当于共模信号为VI/2，差模信号为-VI/2，综合起来就为0了而任意参考位为V2的话，VI里面的共模量应为

(V1+V2)/2，差模量为(V1-V2)/2

另一端相当于共模量(V1+V2)/2，差模量为-(V1-V2)/2，差模与共模只有相比较才有意义。

简单理解：你选择了一个地之后，两根线的相对高度就是差模。而两根线的绝对高度的平均值就是共模，当两根线的距离缩小到0，变成一根线时，就只有一个高度了，因此它的绝对值就是共模。

此外，这里有一些在公开发表的学术期刊上的定义，都是各个作者的理解，供参考：

1. 共模干扰是指干扰电压出现在仪表输人端的一端(正端或负端)对地之间的交流信号,它可用晶体管电压表跨接于仪表输人端的一端(正端或负端)与地之间测量,一般对地干扰大多在几伏到几十伏的范围内

2. 共模干扰是指电路中两个被测量点电位相对大地同时发生同方向交化而产生的干扰,而差模jf扰则是电路中两个被测量点的电位差发生相对变化而产生的干扰

3. 共模干扰是指模数转换器两个输入端上共有的干扰电压,它可能是直流或交流电压,电压幅值可根据应用现场的环境达几伏甚至更高.共模干扰又称共态干扰,常用共模抑制比(CMRR)表示输入电路对共模干扰的抑制能力

4. 共模干扰是指由电源的相线与地线所构成回路中的干扰.差模干扰是指电源的相线和相线所构成的回路中的干扰.传导干扰主要是由电路中高速切换的电压、电流与杂散寄生参数之间相互作用而产生的高频震荡所引起

5. 实际上传导干扰又有共模和差模之分,所谓共模干扰是指地线与相线干扰信号,线间的相位相同、电位相等,而差模干扰是相线间干扰信号相位差180(电位相等)

6. 共模干扰是指在保护装置所有电路或电路的某一点与地(或外壳)之间形成的干扰(电位),如图1中的Vt 所示.它是保护装置工作不正常的重要原因

7. 共模干扰”是指干扰大小和方向一致,其存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间.共模干扰也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰,是载流体与大地之间的干扰

共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信号。

共模信号：双端输入时，两个信号相同。

差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。

任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。

设两路的输入信号分别为：A,B.

m,n分别为输入信号A，B的共模信号成分和差模信号成分。

输入信号A，B可分别表示为：A=m+n；B=m-n

则输入信号A,B可以看成一个共模信号m 和差模信号n 的合成。

其中m=(A+B)/2；n=(A-B)/2。

差动放大器将两个信号作差，作为输出信号。则输出的信号为A-B，与原先两个信号中的共模信号和差模信号比较，可以发现：

共模信号m=(A+B)/2不见了，而差模信号n=(A-B)/2得到两倍的放大。

这就是差模放大器的工作原理。

（5&3 ，5 = 4+1 ，3= 4-1，共模信号=4，差模信号=1 ， 5-3=2，结果是2，将差模信号1放大2倍)

差分信号一般是前级输入的，或者一段接共模信号，一端接输入信号。最最前面，可以用单端转双端啊。对于差分放大，首先要建立正确的静态工作点，也就是共模信号，譬如vcc为1.8v的时候，输入的共模信号一般是0.9v，放大的差分信号是在0.9v上下摆动的信号~

2、基本区别

单端信号指的是用一根线传输的信号，一根线没参考点怎么会有信号呢？

参考点就是地。也就是说，单端信号是在一根导线上传输的与地之间的电平差。利用单端信号把信号从A点传递到B点，有一个前提就是A点和B点的地电势应该差不多是一样的，为啥说差不多呢，后面再详细说。当你把信号从A点传递到B点的时候，A点和B点的地电势可以一样也可以不一样但是A点和B点的地电势差有一个范围，超过这个范围就会出问题了。

差分信号指的是用两根线传输的信号，传输的是两根信号之间的电平差。

3、传输上的差别

单端信号的优点是，省钱～方便～

大部分的低频电平信号都是使用单端信号进行传输的。一个信号一根线，最后

把两边的地用一根线一连，完事。

缺点在不同应用领域暴露的不一样

归结起来，最主要的一个方面就是，抗干扰能力差。

首先说最大的一个问题，地电势差以及地一致性。

大家都认为地是0V，实际上，真正的应用中地是千奇百怪变化莫测的一个东西

我想我会专门写一些地方面的趣事。

比如A点到B点之间，有那么一根线，用来连接两个系统之间的地

那么如果这根线上的电流很大时，两点间的地电势可能就不可忽略了，这样一个信号从A的角度看起来是1V，从B的角度看起来可能只有0.8V了，这可不是一个什么好事情

这就是地电势差对单端信号的影响。

接着说地一致性。实际上很多时候这个地上由于电流忽大忽小，布局结构远远近近，地上会产生一定的电压波动，这也会影响单端信号的质量。

差分信号在这一点有优势，由于两个信号都是相对于地的

当地电势发生变化时，两个信号同时上下浮动（当然是理想状态下）

差分两根线之间的电压差却很少发生变化，这样信号质量不就高了吗？

其次就是传输过程中的干扰，当一根导线穿过某个线圈时，且这根线圈上通着交流电时，这根导线上会产生感应电动势～～好简单的道理，实际上工业现场遇到的大部分问题就是这么简单，可是你无法抗拒～如果是单端信号，产生多少，就是多少，这就是噪声你毫无办法。

但是如果是差分信号，你就可以考虑拉，为啥呢，两根导线是平行传输的

每根导线上产生的感应电动势不是一样吗，两个一减，他不就没了吗～

确实，同样的情况下，传输距离较长时，差分信号具有更强的驱动能力、更强的抗干扰能力，同样的，当你传输的信号会对其他设备有干扰时，差分信号也比单端信号产生的信号相对小，也就是常说的EMI特性(EMI是Electro Magnetic Interference的缩写，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。）

4、使用时需要注意点

由于差分比单端有不少好处，在模拟信号传输中很多人愿意使用差分信号。比如桥式应变片式力传感器，其输出信号满量程时有的也只有2mV。如果使用单端信号传输，那么这个信号只要电源的纹波就能把他吃光。

所以实际上，都是用仪表运放进行放大后，再进行处理。

而仪表运放正是处理差分信号最有力的几个工具之一。

但是，使用差分信号时，一定要注意一个问题，共模电压范围。

也就是说，这两根线上的电压，相对于系统的地，还是共模电压不能太大。

决定原因共模输入范围的就是运放的第一级电路，

你随便找一个运放内部电路，只看其第一级差分电路，

模拟一下输入电压是多少，导致差分电路不能正常工作（例如电压过低使差分的公共射极恒流源不能工作、电压过高使差分管的BC正偏或者饱和等），理解了这些，就知道共模电压范围的真正含义了。

你传输0.1V的信号没问题，但是如果一根是 1000.0 另外一根是 1000.1，那就不好玩了。问题在于，在很多场合下使用差分信号都是为了不让两个系统的地简单的共在一起，更不能把差分信号中的一根直接接在本地系统的地上，那不白费尽吗--又成单端了

那么如何抑制共模电压呢？

其实也挺简单的，将两根线都通过一个足够大的电阻，连接到系统的地上。

这就像一根拴在风筝上的线，我在地上跑跑跳跳，不会影响风筝的高度（通过电阻隔离可能影响共模电压值的各类因素）

但是你永远逃不出我的视线，而我的视线，（都不在视线了，谈高低还有何意义？）在电子行业，叫共模电压范围。

单端转差分怎么转。

单单将单端信号用反向跟随器跟随并不是不行

但是差分信号被平白的放大了2倍～～

常见的用仪表运放+普通运放搭建的单端转差分是个很好的例子。

5.LVDS(低电压差分信号)原理简介

5.1 LVDS信号介绍

LVDS：Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号。

LVDS传输支持速率一般在155Mbps（大约为77MHZ）以上。

LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。

IEEE在两个标准中对LVDS信号进行了定义。ANSI/TIA/EIA-644中，推荐最大速率为655Mbps，理论极限速率为1.923Mbps。

5.1.1 LVDS信号传输组成

图1 LVDS信号传输组成图

LVDS信号传输一般由三部分组成：差分信号发送器，差分信号互联器，差分信号接收器。

差分信号发送器：将非平衡传输的TTL信号转换成平衡传输的LVDS信号。通常由一个IC来完成，如：DS90C031

差分信号接收器：将平衡传输的LVDS信号转换成非平衡传输的TTL信号。通常由一个IC来完成，如：DS90C032

差分信号互联器：包括联接线（电缆或者PCB走线），终端匹配电阻。按照IEEE规定，电阻为100欧。

我们通常选择为100，120欧。

5.1.2 LVDS信号电平特性

LVDS物理接口使用1.2V偏置电压作为基准，提供大约400mV摆幅。

LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成（通常电流为3.5mA），LVDS接收器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过100Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350mV 的电压。电流源为恒流特性，终端电阻在100――120欧姆之间，则电压摆动幅度为：3.5mA * 100 = 350mV ；3.5mA * 120 = 420mV 。

下图为LVDS与PECL（光收发器使用的电平）电平变化。

图2 LVDS与PECL电平图示

由逻辑“0”电平变化到逻辑“1”电平是需要时间的。

由于LVDS信号物理电平变化在0。85――1。55V之间，其由逻辑“0”电平到逻辑“1”电平变化的时间比TTL电平要快得多，所以LVDS更适合用来传输高速变化信号。其低压特点，功耗也低。

采用低压技术适应高速变化信号，在微电子设计中的例子很多，如：FPGA芯片的内核供电电压为2。5V或1.8V；PC机的CPU内核电压，PIII800EB为1.8V；数据传输领域中很多功能芯片都采用低电压技术。

5.1.3 差分信号抗噪特性

从差分信号传输线路上可以看出，若是理想状况，线路没有干扰时，

在发送侧，可以形象理解为：

IN=IN+-IN-

在接收侧，可以理解为：

IN+-IN-=OUT

所以：

OUT=IN

在实际线路传输中，线路存在干扰，并且同时出现在差分线对上，

在发送侧，仍然是：

IN=IN+-IN-

线路传输干扰同时存在于差分对上，假设干扰为q，则接收则：

(IN++q)-(IN-+q)=IN+-IN-=OUT

所以：

OUT=IN

噪声被抑止掉。

上述可以形象理解差分方式抑止噪声的能力。在实际芯片中，是在噪声容限内，采用“比较”及“量化”

来处理的。

LVDS接收器可以承受至少±1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化。由于LVDS驱动器典型的偏置

电压为+1.2V，地的电压变化、驱动器偏置电压以及轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端相对于接收器的地是共模电压。这个共模范围是：+0.2V～+2.2V。建议接收器的输入电压范围为：0V～+2.4V。

抑止共模噪声是DS（差分信号）的共同特性，如RS485,RS422电平，采用差分平衡传输，由于其电平幅度大，更不容易受干扰，适合工业现场不太恶劣环境下通讯。

6.LVDS信号的PCB设计

6.1 LVDS信号的工作原理和特点

对于高速电路，尤其是高速数据总线，常用的器件一般有：ECL、BTL、GTL和GTL+等。这些器件的工艺成熟，应用也较为广泛，但都存在一个共同的缺点，即功耗大。

新兴的CM0S工艺的低压差分信号(Low Voltage Differential Signal，简称LVDS)器件给了我们另一种选择。LVDS低压差分信号，最早由美国国家半导体公司(National Semiconductor)提出的一种高速串行信号传输电平，由于它传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点，迅速得到诸多芯片制造厂商和应用商的青睐，并通过TIA/EIA (Telecommunication Industry Association/Electronic Industries Association)的确认，成为该组织的标准(ANSI/TIA/EIA-644 standard)。LVDS信号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI-Express为代表的第三代I/O标准中采用。

LVDS器件的工作原理如下：

如图1所示，其中发送端是一个3.5mA的电流源，产生的3.5mA的电流通过差分线中的一路到接收端。由于接收端对于直流表现为高阻，电流通过接收端的100Ω的匹配电阻产生350mV的电压，同时电流经过差分线的另一路流回发送端。当发送端进行状态变化时，通过改变流经100Ω电阻的电流方向产生有效的'0'和'1' 态。

LVDS的特点是电流驱动模式，低电压摆幅350mV可以提供更高的信号传输率，使用差分传输的方式，输入信号只与2个信号的差值有关，可将共模干扰抑制掉，可以使信号的噪声和EMI都减少。综上所述，LVDS有以下主要特点：

1.低的输出电压摆幅(350mV)；

2.差分特征是磁干扰相互抵消，消除共模噪声，减少EMI；

3.传输速度快，功耗低，抗干扰能力强，传输距离远，易于匹配等优点。

6.2 LVDS信号在PCB上的设计

由LVDS信号的工作原理及特点可以看出：LVDS信号不仅是差分信号，而且还是高速数字信号；因此LVDS传输媒质不管使用的是PCB线对还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射，同时应减少电磁干扰以保证信号的完整性。只要我们在布线时考虑到以上这些要素，设计高速差分线路板并不很困难。下面将简要介绍LVDS信号在PCB 上的设计要点：

1.布成多层板。

有LVDS信号的印制板一般都要布成多层板。由于LVDS信号属于高速信号，与其相邻的层应为

地层，对LVDS信号进行屏蔽防止干扰。另外密度不是很大的板子，在物理空间条件允许的情况

下，最好将LVDS信号与其它信号分别放在不同的层。例如，对于四层板，通常可以按以下进行

布层：LVDS信号层、地层、电源层、其它信号层。

2.LVDS信号阻抗计算与控制。

LVDS信号的电压摆幅只有350 mV，适于电流驱动的差分信号方式工作。为了确保信号在传输线当中传播时不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，通常差分阻抗为(100±10)Ω。

阻抗控制的好坏直接影响信号完整性及延迟。如何对其进行阻抗控制呢?

①确定走线模式、参数及阻抗计算。LVDS分外层微带线差分模式和内层带状线差分模式两种，

分别如图2、图3所示。通过合理设置参数，阻抗可利用相关阻抗计算软件(如POLAR-SI6000、CADENCE的ALLEGRO)计算也可利用阻抗计算公式计算。图2、图3为POLAR-SI6000阻抗计算软件计算阻抗值。

阻抗计算公式计算阻抗。以上微带线和带状线种方式阻抗计算公式分别为：

(i)微带线(microstrip)

Z={87/[sqrt(εr+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)]

其中，W为线宽，T为走线的铜皮厚度，H为走到参考平面的距离，εr是PCB板材质的介电常数(dielectric Constant)。此公式必须在0.1<(W/H)<2.0及1<(εr)<15的情况才能应用。

(ii)带状线(stripline)

Z=[60/sqrt(εr)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]}

其中，H为两参考平面的距离，并且走线位于参考平面的中间。此公式适应于双线，线间距与抗成正比，必须在W/H<0.35及T/H<0.25的情况才应用。

由上面两公式可以看出，虽然其计算公式各不同，但阻抗值均与绝缘层厚度成正比，与介电常数、线的厚度及宽度成反比。

②走平行等距线(如图4)。确定走线线宽及间距，在走线时要严格按照计算出的线宽和间距，两

线间距要一直保持不变，也就是要保持平行(如图4示)。平行的方式有两种：一种为两条线走在同一线层(side-by-side)，另一种为两条线走在上下相两层(over-under)。一般尽量避免使用后者即层间差分信号，因为在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，不能保证差分线的间距等于层间介质厚度，会造成层间差分对的差分阻抗变化。困此建议尽量使用同层内的差分。

3.紧耦合原则。

在计算线宽和间距时最好遵守紧耦合的原则，也就是差分对线间距小于或等于线宽。当两条差分信号线距离很近时，电流传输方向相反，其磁场相互抵消，电场相互耦合，电磁辐射也要小得多。

4.走短线、直线。

为确保信号的质量，LVDS差分对走线应该尽可能地短而直，减少布线中的过孔数，避免差分对布线太长，出现太多的拐弯，拐弯处尽量用45°或弧线，避免90°拐弯。

5.不同差分线对间处理。

LVDS对走线方式的选择没有限制，微带线和带状线均可，但是必须注意要有良好的参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太小，至少应大于3～5倍差分线间距。必要时在不同差分线对之间加地孔隔离以防止相互问的串扰。

6.LVDS信号远离其它信号。

对LVDS信号和其它信号比如TTL信号，最好使用不同的走线层，如果因为设计限制必须使用同一层走线，LVDS和TTL的距离应该足够远，至少应大于3～5倍差分线间距。

7.LVDS差分信号不可以跨平面分割。

尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续(如图5箭头处所示，其中GND1、GND2为LVDS相邻的地平面)。

8.接收端的匹配电阻的布局。

对接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量靠近。如图5的矩形处为接收端的匹配电阻。

9.匹配电阻的精度要求。

对于点到点的拓扑，走线的阻抗通常控制在100Ω，但匹配电阻可以根据实际的情况进行调整。电阻的精度最好是1%～2%。因为根据经验，10%的阻抗不匹配就会产生5%的反射。

7.差分传输应用

USB

VGA视频差分处理