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原创 串行总线--差分线基本原理及优缺点(一)

2017-5-4 11:46 1138 0 分类: PCB

为了更快的传输数据,我们能想到的办法除了一次多传输几位数据(增加并行总线的数量)之外,还有一种办法就是提高单通道的数据传输速率,然而随着单通道速率的提升,信号完整性问题又会变得越来越突出,尤其是串扰以及损耗等问题。为了解决这些问题,一种全新的数据传输方式应运而生,如图1所示,他就是-----差分(差分线、差分互联)。


2-01


图 1


差分(差分线、差分互联)的主要特点是采样电压取两根电压的差值,如下图所示:

2-02


图 2


我们知道V1和V2相对于他们公共的地都有一个单端电压。信号接收端关注的是这两根线的电压差,那么使用这种传输方式到底有什么优点?


差分线优点1:差分驱动总的dI/dt会比单端信号线上大幅降低,从而减小了潜在的电磁干扰(EMI)。如下图所示:

2-03


图 3


上图中红色和蓝色是单根线电压。紫色的是差分电压。我们可以看到,使用差分方式传输,信号的电压峰峰值被放大了一倍,但是单根线上的电流却保持不变。如果采用传统的单线传输方式,单根线的dI/dt也会增加一倍,这样更容易造成EMI问题。


差分线优点2:差分信号的值很大程度上与“地”的精确值无关,能很好的抵抗电源的干扰。就像下面这幅图,差分信号关注的是两根线之间的电压差值,与海平面的高度关系不大。

2-04


图4


我们还是通过仿真来验证下,如下图5所示:

2-05


图 5


如下图所示,左边是理想GND时的单端与差分信号波形,右边是地平面存在波动的时候的单端信号与差分信号。

2-06


图 6


可以清楚的看到,单端信号受到“地”的干扰很大。但是这些干扰经过差分之后就被抵消了。差分对抗外部电磁干扰的原理也是一样,这也就是我们常说的:差分形式传播,在返回路径中对付串扰和突变的鲁棒性更好。


差分线优点3:差分对内每根信号都有自己的返回路径,能够减轻信号跨分割带来的影响。单根线和差分线跨分割分别会怎样?我们还是来验证一下。在仿真的时候,我们让单线和差分对线长都为1inch,使用普通Fr4板材,来看看跨分割对信号的影响。

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图7

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图8


由上图可知,单线跨分割对传输线的影响很大,差分线对跨分割就不是那么敏感,主要原因就是,差分对两线可以互为参考,两根线可以相互作为返回路径。


以上三点就是本人理解的差分线最明显的优点,这些优点奠定了串行信号稳定传输的基础。当然,差分信号也存在一些缺点,最大的缺点就是与单端信号传输相比,差分互连需要两倍数量的信号线。再者,如果差分信号不对称,会产生潜在的EMI,这些问题都会在后续的文章中做详细的分析。


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