串行总线--差分线基本原理及优缺点

为了更快的传输数据，我们能想到的办法除了一次多传输几位数据（增加并行总线的数量）之外，还有一种办法就是提高单通道的数据传输速率，然而随着单通道速率的提升，信号完整性问题又会变得越来越突出，尤其是串扰以及损耗等问题。为了解决这些问题，一种全新的数据传输方式应运而生，如图1所示，他就是-----差分（差分线、差分互联）。

 

图 1

差分（差分线、差分互联）的主要特点是采样电压取两根电压的差值，如下图所示：

 

图 2

我们知道V1和V2相对于他们公共的地都有一个单端电压。信号接收端关注的是这两根线的电压差，那么使用这种传输方式到底有什么优点？

差分线优点1：差分驱动总的dI/dt会比单端信号线上大幅降低，从而减小了潜在的电磁干扰（EMI）。如下图所示：

 

图 3

上图中红色和蓝色是单根线电压。紫色的是差分电压。我们可以看到，使用差分方式传输，信号的电压峰峰值被放大了一倍，但是单根线上的电流却保持不变。如果采用传统的单线传输方式，单根线的dI/dt也会增加一倍，这样更容易造成EMI问题。

差分线优点2：差分信号的值很大程度上与“地”的精确值无关，能很好的抵抗电源的干扰。就像下面这幅图，差分信号关注的是两根线之间的电压差值，与海平面的高度关系不大。

 

图4

我们还是通过仿真来验证下，如下图5所示：

 

图 5

如下图所示，左边是理想GND时的单端与差分信号波形，右边是地平面存在波动的时候的单端信号与差分信号。

        图 6

可以清楚的看到，单端信号受到“地”的干扰很大。但是这些干扰经过差分之后就被抵消了。差分对抗外部电磁干扰的原理也是一样，这也就是我们常说的：差分形式传播，在返回路径中对付串扰和突变的鲁棒性更好。

差分线优点3：差分对内每根信号都有自己的返回路径，能够减轻信号跨分割带来的影响。单根线和差分线跨分割分别会怎样？我们还是来验证一下。在仿真的时候，我们让单线和差分对线长都为1inch，使用普通Fr4板材，来看看跨分割对信号的影响。

  
 图7

 
图8

由上图可知，单线跨分割对传输线的影响很大，差分线对跨分割就不是那么敏感，主要原因就是，差分对两线可以互为参考，两根线可以相互作为返回路径。

以上三点就是本人理解的差分线最明显的优点，这些优点奠定了串行信号稳定传输的基础。当然，差分信号也存在一些缺点，最大的缺点就是与单端信号传输相比，差分互连需要两倍数量的信号线。再者，如果差分信号不对称，会产生潜在的EMI，这些问题都会在后续的文章中做详细的分析。