形象解读差分信号，它比单端信号强在哪？

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品慧电子讯一个差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，系统''地''被用作电压基准点。当''地''当作电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。

另一方面，一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。

我们用一个方法对差分信号做一下比喻，差分信号就好比是跷跷板上的两个人，当一个人被跷上去的时候，另一个人被跷下来了 - 但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推，正值可以表示左边的人比右边的人高，而负值表示右边的人比左边的人高。0 表示两个人都是同一水平。

图1 用跷跷板表示的差分信号

应用到电学上，这两个跷跷板用一对标识为V+和V-的导线来表示。当V+>V-时，信号定义成正极信号，当V+<V-时，信号定义成负极信号。

图2 差分信号波形和单端等价

图2 差分对围绕摆动的平均电压设置成 2.5V。当该对的每个信号都限制成 0-5V 振幅时，偏移该差分对会提供一个信号摆动的最大范围。当用单一 5V 电源操作时，经常就会出现这种情况。

当不采用单端信号而采取差分信号方案时，我们用一对导线来替代单根导线，增加了任何相关接口电路的复杂性。那么差分信号提供了什么样的有形益处，才能证明复杂性和成本的增加是值得的呢？

差分信号的第一个好处是，因为你在控制''基准''电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准，单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统内''地''的一致性。信号源和信号接收器距离越远，他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与''地''的精确值无关，而在某一范围内。

差分信号的第二个主要好处是，它对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。

差分信号提供的第三个好处是，在一个单电源系统，能够从容精确地处理''双极''信号。为了处理单端，单电源系统的双极信号，我们必须在地和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高保真度，而无须依赖虚地的稳定性。刚才提到了单端信号，其实，信号通常以三种模式沿电路传播：单端、差模或共模。

单模是我们最熟悉的。它包括介于驱动器与接收器之间的单根导线或走线，信号沿走线传播并从地返回。

这里最难理解的是共模信号。它既可以包括单端走线也可以包括两个(可能更多)差分走线。同样的信号沿走线以及返回路径(地)或者沿差分对中的两根走线流动。大部分人往往对共模信号不熟悉，因为我们自己从来不会故意产生它们。它们通常是由从其它(邻近或外部)源耦合进电路的噪声引起的。一般来讲，结果 最好情况是中性的，最坏情况是具有破坏性的。共模信号能够产生干扰电路正常运行的噪声，并且是常见的EMI 问题的来源。 差分信号相比单端信号有一个显著的缺点：需要两根走线而不是一根，或者两倍的电路板面积。但是差分信号有几个优点：如果没有通过地的返回信号， 地回路的连续性相对就变得不重要了。因此，假如我们有一个模拟信号通过差分对连接到数字器件，就无需担心跨越电源边界，平面不连续等等问题。差分器件的电源分割也更容易处理。差分电路在低压信号的应用中是非常有益的。如果信号电平非常低，或者如果信噪比是个问题，那么差分信号可以有效地倍增信号电平(+v-(-v)=2v)。差分信号和差分放大器通常用于信号电平非常低的系统的输入级。

差分接收器往往对输入信号电平的差敏感，但是常常被设计为对输入的共模偏移不敏感。因此在强噪声环境中差分信号往往比单端信号有着更好的性能。

相比单端信号(以一个不太精确的受电路板其他位置的噪声的干扰的信号为参考)，差分信号(彼此互为参考)的翻转时序可以更精确地设定。差分对的交叉点定义得非常精确(见图3)。单端信号位于逻辑1和逻辑0之间的交叉点受制于(举例)噪声、噪声门限以及门限检测问题等等。

图3 逻辑电平在差分信号交叉点的精确位置改变状态

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