串行總線(xiàn)--差分線(xiàn)（差分互連）基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)（一）

　　為了更快的傳輸數據，我們能想到的辦法除了一次多傳輸幾位數據(增加并行總線(xiàn)的數量)之外，還有一種辦法就是提高單通道的數據傳輸速率，然而隨著(zhù)單通道速率的提升，信號完整性問(wèn)題又會(huì )變得越來(lái)越突出，尤其是串擾以及損耗等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，一種全新的數據傳輸方式應運而生，如圖1所示，他就是-----差分(差分線(xiàn)、差分互聯(lián))。

　　圖 1

　　差分(差分線(xiàn)、差分互聯(lián))的主要特點(diǎn)是采樣電壓取兩根電壓的差值，如下圖所示：

　　圖 2

　　我們知道V1和V2相對于他們公共的地都有一個(gè)單端電壓。信號接收端關(guān)注的是這兩根線(xiàn)的電壓差，那么使用這種傳輸方式到底有什么優(yōu)點(diǎn)?

　　差分線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)1：差分驅動(dòng)總的dI/dt會(huì )比單端信號線(xiàn)上大幅降低，從而減小了潛在的電磁干擾(EMI)。如下圖所示：

　　圖 3

　　上圖中紅色和藍色是單根線(xiàn)電壓。紫色的是差分電壓。我們可以看到，使用差分方式傳輸，信號的電壓峰峰值被放大了一倍，但是單根線(xiàn)上的電流卻保持不變。如果采用傳統的單線(xiàn)傳輸方式，單根線(xiàn)的dI/dt也會(huì )增加一倍，這樣更容易造成EMI問(wèn)題。

　　差分線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)2：差分信號的值很大程度上與“地”的精確值無(wú)關(guān)，能很好的抵抗電源的干擾。就像下面這幅圖，差分信號關(guān)注的是兩根線(xiàn)之間的電壓差值，與海平面的高度關(guān)系不大。

　　圖4

　　我們還是通過(guò)仿真來(lái)驗證下，如下圖5所示：

　　圖 5

　　如下圖所示，左邊是理想GND時(shí)的單端與差分信號波形，右邊是地平面存在波動(dòng)的時(shí)候的單端信號與差分信號。

圖 6 

　　可以清楚的看到，單端信號受到“地”的干擾很大。但是這些干擾經(jīng)過(guò)差分之后就被抵消了。差分對抗外部電磁干擾的原理也是一樣，這也就是我們常說(shuō)的：差分形式傳播，在返回路徑中對付串擾和突變的魯棒性更好。

　　差分線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)3：差分對內每根信號都有自己的返回路徑，能夠減輕信號跨分割帶來(lái)的影響。單根線(xiàn)和差分線(xiàn)跨分割分別會(huì )怎樣?我們還是來(lái)驗證一下。在仿真的時(shí)候，我們讓單線(xiàn)和差分對線(xiàn)長(cháng)都為1inch，使用普通Fr4板材，來(lái)看看跨分割對信號的影響。

　　圖7

　　圖8

　　由上圖可知，單線(xiàn)跨分割對傳輸線(xiàn)的影響很大，差分線(xiàn)對跨分割就不是那么敏感，主要原因就是，差分對兩線(xiàn)可以互為參考，兩根線(xiàn)可以相互作為返回路徑。

　　以上三點(diǎn)就是本人理解的差分線(xiàn)最明顯的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)奠定了串行信號穩定傳輸的基礎。當然，差分信號也存在一些缺點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)就是與單端信號傳輸相比，差分互連需要兩倍數量的信號線(xiàn)。再者，如果差分信號不對稱(chēng)，會(huì )產(chǎn)生潛在的EMI，這些問(wèn)題都會(huì )在后續的文章中做詳細的分析。