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什麽是差分信號?差模和共模信號,差分放大電路詳解

作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2022-12-08

     差分傳(chuan) 輸是一種信號傳(chuan) 輸的技術,區別於(yu) 傳(chuan) 統的一根信號線一根地線的做法,差分傳(chuan) 輸在這兩(liang) 根線上都傳(chuan) 輸信號,這兩(liang) 個(ge) 信號的振幅相同,相位相反。在這兩(liang) 根線上的傳(chuan) 輸的信號就是差分信號。
差分信號圖解 
信號接收端比較這兩(liang) 個(ge) 電壓的差值來判斷發送端發送的邏輯狀態,在電路板上,差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層麵的兩(liang) 根線,這兩(liang) 根線上傳(chuan) 輸的信號就是差分信號(差模信號)。優(you) 點是抗幹擾能力強,缺點是電路比單端傳(chuan) 輸的複雜,一般在高速信號中, 其電壓幅度比較低, 像MIPI DSI規範低速振幅=1200mv, 而高速振幅=200mv, 所以采用上麵的單端走線的話抗幹擾能力實在太差了, 因此高速(低振幅)大部分是使用差分信號。如下圖
RS485信號,差分信號示意圖 
差分放大電路有差模和共模兩(liang) 種基本輸入信號,那麽(me) 什麽(me) 是共模信號呢?當兩(liang) 輸入端所接信號大小相等,極性相反時,稱為(wei) 差模輸入信號;當兩(liang) 輸入端所接信號大小相等、極性相同時,稱為(wei) 共模信號。
共模信號 
實際應用中,溫度的變化各種環境噪聲的影響時共模噪聲,也稱為(wei) 對地噪聲,指的是兩(liang) 根線分別對地的噪聲。差分放大電路時直接耦合放大電路的基本組成單元,對於(yu) 共模信號起到很強的抑製作用,未對差模信號起到放大租用,並且電路的放大能力與(yu) 輸出方式有關(guan) 。
基本的差分放大電路 
為(wei) 了提高信號在高速率、長距離情況下傳(chuan) 輸的可靠性,大部分高速的數字串行總線都會(hui) 采用差分信號進行信號傳(chuan) 輸。差分信號是用一對反相的差分線進行信號傳(chuan) 輸,發送端采用差分的發送器,接收端相應采用差分的接收器。下圖是個(ge) 差分線的傳(chuan) 輸模型及真實的差分PCB走線。
差分線的傳(chuan) 
采用差分傳(chuan) 輸方式後,由於(yu) 差分線對裏正負信號的走線是緊密耦合在一起的,所以外界噪聲對於(yu) 兩(liang) 根信號線的影響是一樣的。而在接收端,由於(yu) 其接收器是把正負信號相減的結果做為(wei) 邏輯判決(jue) 的依據,因此即使信號線上有嚴(yan) 重的共模噪聲或者地電平的波動,對於(yu) 最後的邏輯電平判決(jue) 影響很小。相對於(yu) 單端傳(chuan) 輸方式,差分傳(chuan) 輸方式的抗幹擾、抗共模噪聲能力大大提高。下圖是一個(ge) 差分傳(chuan) 輸對共模噪聲抑製的一個(ge) 例子。
受到嚴(yan) 
采用差分方式進行信號傳(chuan) 輸會(hui) 使得收發端的電路變得複雜,係統的功耗也隨之上升,但是由於(yu) 其優(you) 異的抗幹擾能力以及可靠的傳(chuan) 輸特性,使得差分傳(chuan) 輸方式在需要進行高速數字信號的傳(chuan) 輸或者惡劣工作環境的領域得到了廣泛的應用,如LVDS、PCI-E、SATA、USB、HDMI、1394、CAN、Flexray等總線都是采用差分的信號傳(chuan) 輸方式。
      訊號傳(chuan) 輸模式其實很簡單差模信號通過一對信號線來傳(chuan) 輸。一個(ge) 信號線上傳(chuan) 輸我們(men) 通常所理解的信號;另一個(ge) 信號線上則傳(chuan) 輸一個(ge) 等值而方向相反(至少在理論上是這樣)的信號。差分和單端模式最初出現時差異不大,因為(wei) 所有的信號都存在回路。單端模式的信號通常經由一個(ge) 零電壓的電路(或者稱為(wei) 地)來返回。差分信號中的每一個(ge) 信號都要通過地電路來返回。由於(yu) 每一個(ge) 信號對實際上是等值而反向的,所以返回電路就簡單地互相抵消了,因此在零電壓或者是地電路上就不會(hui) 出現差分信號返回的成分, 共模方式是指信號出現在一個(ge) (差分)信號線對的兩(liang) 個(ge) 信號線上,或者是同時出現在單端信號線和地上。對這個(ge) 概念的理解並不直觀,因為(wei) 很難想象如何產(chan) 生這樣的信號。這主要是因為(wei) 通常我們(men) 並不生成共模信號的緣故。共模信號絕大多數都是根據假想情況在電路中產(chan) 生或者由鄰近的或外界的信號源耦合進來的噪聲信號。共模信號幾乎總是“有害的”,許多設計規則就是專(zhuan) 為(wei) 預防共模信號出現而設計的。
     差模信號與(yu) 共模信號的轉化傳(chuan) 輸線中不僅(jin) 存在傳(chuan) 播信息的差模信號,還有不傳(chuan) 播信息的共模信號,理想情況是不存在相互轉化的,但是理想很豐(feng) 滿,現實很骨感。差模信號與(yu) 共模信號的轉化是由於(yu) 差分傳(chuan) 輸線不對稱造成的,造成不對稱的原因很多,差分傳(chuan) 輸線的長度差像拐角、差分傳(chuan) 輸線由於(yu) 刻蝕差異造成傳(chuan) 輸線特性阻抗不同、兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 輸線的差異性耦合、臨(lin) 近效應、終端差異,彎曲等等都可能是造成差模信號與(yu) 共模信號的轉化。這種轉化我們(men) 可以理解為(wei) 兩(liang) 條傳(chuan) 輸線的延遲是不同的,當信號在傳(chuan) 輸線上傳(chuan) 播由於(yu) 到達終端的延遲是不同的,一個(ge) 早一些到達,這樣就會(hui) 產(chan) 生相位差,將部分差模信號轉化成共模信號。轉化的為(wei) 共模信號的多少由信號頻率、傳(chuan) 輸線的長度、兩(liang) 條傳(chuan) 輸線上的信號時延差所決(jue) 定的。

在小信號進行長距離的傳(chuan) 輸時,為(wei) 了盡量減小幹擾,一般都是使用的差分信號的方式進行傳(chuan) 輸。差分信號需要用兩(liang) 根信號線進行傳(chuan) 輸,最常見的應用就是生活中的雙絞線了。

網線使用雙絞線傳(chuan) 

Tags:差分信號,差模信號,共模信號  
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