什么是差分传输？

电子连接器有限元CAE与高频分析

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分类专栏：信号完整性分析文章标签：信号完整性分析信号处理信息与通信

于 2025-05-17 17:07:33 首次发布

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什么是差分传输？

随着信号的速率提高，差分互连得到越来越多的应用，LVDS、CML、LVPECL是几种典型的差分互连接口，目前几乎所有的高速信号都使用差分互连。本章重点介绍工程设计中关于差分互连的几个主要问题。

1.差分传输
差分互连方式中，使用两条传输线来传输信号。差分驱动器有两个输出端，这两个输出端同时输出信号。理想情况下两个信号边沿对齐，但是翻转方向相反，如图8-1所示。两个信号沿着各自的传输线传输，到达接收器时，接收器对两个信号进行差分检测，从两个信号的差值信号中提取信息，这个差值信号称为差分信号。如果不考虑两个信号之间的特殊关系，对于其中任意一个信号和普通的单端信号没有什么区别，在传输线上传输时也遵循单端信号传输的各种规律。

差分驱动器的两个信号极性相反，即正极性输出端信号为 $V_{P}$ ,负极性输出端信号为 $V_{n}$ ,则差分信号可表示为

差分传输正是利用 $V_{diff}$ 来传输信息，接收端检测 $V_{diff}$ 的电压波形来提取信息。接收端除了能检测到携带信息的差分信号外，还能“感受”到另外一种信号，称为共模信号。共模信号可表示为

共模信号也传输到接收端，但共模信号不包含所传输的信息，只有当接收器保证共模信号在一定的变化范围内时才能正常接收差分信号的信息而不受共模信号的影响。接收端的这种能力称为共模抑制能力，通常差分接收器都有很强的共模抑制能力，当共模信号在较大范围内变化时都能正常接收差分信号所携带的信息。

我们以LVDS(Low Voltage Differential Signal)信号为例来说明差分传输的特点。LVDS是一种常用的差分传输方式，TIA/EIA-644标准详细地规定了LVDS接口电路需要满足的电气特性。理想情况下，差分驱动器的两个输出信号都围绕1.25V的电平翻转，摆幅需要满足如下条件:

如果信号的中值电平为1.25 V,摆幅为600 mV,则单个信号的低电平为0.95V,高电平为1.55V,信号波形如图8-2所示的 $V_{P}$ 和 $V_{n}$ 。理想情况下两个信号时间(边沿)上严格同步，共模信号为恒定的电平。当V,=1.55V,Vₙ=0.95V时，差分信号为高电平Vm=600mV,反之差分信号为低电平Va=—600 mV,波形如图8-2所示。

LVDS差分接收器的每个引脚的输入电压必须在0～2.4V之间。所以如果差分输出的摆幅为600 mV,接收端共模电压在0.3～2.1V范围内时，都能正常接收信息。这种特性是由差分检测方式决定的，差分接收器只“关心” $V_{P}$ ,和 $V_{n}$ 之间的差值。即使发送端和接收端共模电压相差很大，也只是引起 $V_{P}$ 和 $V_{n}$ 信号电平的整体漂移，但并不影响二者之间的相对关系，因此接收器仍然可以正常接收V。图8-3说明了这种关系。共模电平的偏离很多时候都是由发送端和接收端参考点(通常所说的“地”)电位不同引起的。差分互连对这种参考点电位差异有很强的适应能力，允许的参考点电位偏差较大，这是差分互连重要优势之一。而对于单端互连来说，发送端和接收端参考点电位偏差较大时可能造成接收端无法正确判断高低电平。

差分传输是使用两个单端信号的组合来传输信息。任何两个单端信号的组合都可以表示成差分信号和共模信号的形式，即对任何两个单端信号，下面的等式都成立

差分传输中驱动器输出的两个单端信号的约束关系更好地保证了共模信号的稳定(理想情况下为恒定电平),更有利于信息的传输，也就是说两个单端信号的这种相关性是为了提高传输能力。如果两个单端信号翻转方向相反，但时间上并不是严格对齐，也能传输信息，不同的仅仅是传输能力可能打些折扣。因此两个信号的传输具有独立性。常见的差分互连中，两条传输线一般都使用耦合传输线的形式，但从差分信号的传输原理来讲，这种方式并不是必须的。不论两条传输线怎样走线，甚至可以使用两条完全不相关的走线(比如没有耦合、在不同的走线层布线),只要两个单端信号到达接收端时还能保持差分传输所要求的相对关系(翻转方向、边沿对齐)就可以通过差分检测提起信息。因此，差分传输中两条传输线耦合与否，理论上不影响信息传输，平行走线可以获得一些好处，但不是必须的。