谈谈差分信号

sisi9000

习惯了单端信号，对差分信号的使用还是会有点发怵。所以有的器件厂商，虽然输入接口是差分，但是会注明一下，单端输入时的具体接法。
差分信号的抗扰以及EMI特性
但其实，由于差分信号是对差模信号响应，对共模信号不敏感，所以差分信号的抗干扰特性是优于单端信号的。
即差分信号是对两根线之间的差值响应，而不是对线与地之间的差值响应。比如说，有一干扰信号，耦合到一对差分线上，我们可以近似认为，耦合到两根线上的干扰是等幅同相的，所以差分信号对它不响应。
同时，差分信号上两根线上的电流是相反的，所以一定程度上，两者在两根导体外产生的磁场是有相消的情况存在的。而电场又紧密的耦合在一起，所以，差分信号对外产生的辐射干扰也是小于单端信号的。
射频差分信号需要地平面么？
差分信号两线之间互为参考，那下面还需不需要地平面呢(2)(3)？这个问题稍微有点复杂。
如果结构中，有两根耦合微带线以及参考平面的话，如上图所示，那在其结构中存在两种模式：
(1) 奇模模式
给两根线的驱动电压等幅反相，则会激发出奇模模式。
(2) 偶模模式
给两根线的驱动电压等幅同相，则会激发出偶模模式。
从上图可以发现，不管是偶模模式还是奇模模式，都存在着微带线与参考平面的耦合。
虽然在奇模模式下，微带线之间会有一定程度上的互为参考面，但是还是有部分回流存在于参考地平面上。
如果地平面被分割或被移除，肯定会造成模式的破坏。
如果在实际设计时，需尽量保持差分线下地平面的完整。如果真的没办法，不能保证地平面完整的话，可以参考文献【3】，合理设计差分线之间的间距，选择介质材料的厚度，以减小地平面对微带差分线的阻抗。
差分信号为什么会有偶模模式呢？
理想的差分信号，共模就是DC，这个时候是不存在偶模模式的；只存在奇模模式。
但是如果差分信号的相位之间不是严格相差180度，而是有几度的偏移，这在实际应用中经常发生。这个时候，就产生偶模模式了。
我们可以用公式推导一下。
如果假设频率为50Hz，用matlab画出上述的曲线，则可以看到共模信号已经产生，只不过幅度比较小。
差分滤波器等怎么设计
如果需要在差分回路上放置滤波器，应该怎么设计呢？
其实很简单，比如你要设计输入输出阻抗为200ohm的差分滤波器【5】，就先设计输入输出阻抗为100ohm的单端滤波器，然后将两个这样的滤波器的接地端连接在一起，将原来并联支路上可合并的合在一起，即可得到输入输出差分阻抗为200ohm的滤波器。
差分线绘制时，要注意哪些事项？【6】
(1) 差分线之间，首要任务是保持等长。
因为差分接收器主要通过检测正负信号的交叉点位置，所以，如果不等长，交叉点位置就会改变。
(2) 尽量保证差分线宽度、间距不变，因为这两个参数改变的话，会引起差分线特征阻抗的改变，引起反射。
(3) 补等长的时候，哪边有不等长不哪边。
(4) 和单端信号一样，避免使用90度角。
(5) 差分线之间布局尽量对称，特别在串联电阻或电容处。
(6) 在差分线上不要有stub.
参考文献：
(1)https://wk.baidu.com/view/b482383edd3383c4ba4cd274?pcf=2
(2) https://wk.baidu.com/view/b1e5115b312b3169a451a432?pcf=2
(3)the impact of a nonideal return path on differential signal integrity
(4)Eric Bogatin，Not all common currents are bad
(5)Design of Differential Filters for High-Speed Signal Chains，TI 应用文档
(6)Understanding and Designing Differential Filters for Communications Systems,ADI应用文档
来源： 加油射频工程师