信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)#29：數(shù)字接口—單端接口與差動(dòng)接口的對(duì)比

本《信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)》系列文章向您介紹了在將數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器以及將任何數(shù)字配置數(shù)據(jù)從控制器傳輸?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時(shí)所必需的數(shù)字接口。其中所使用的兩個(gè)主要信號(hào)傳輸方案就是單端和差動(dòng)信號(hào)傳輸。

單端數(shù)據(jù)傳輸僅使用一條信號(hào)線(xiàn)，其電勢(shì)被看作接地。在信號(hào)線(xiàn)為信號(hào)電流提供正向通道時(shí)，接地線(xiàn)會(huì)提供回流通道。圖 1 顯示了單端傳輸通道的基本原理圖。

?

圖 1 單端傳輸通道

單端接口的主要優(yōu)點(diǎn)可概括為簡(jiǎn)潔性和較低的實(shí)施成本。然而，它們極易受噪聲拾取的影響，因?yàn)橐氲叫盘?hào)或者接地通道的噪聲直接加到接收機(jī)輸入，從而引起偽接收機(jī)觸發(fā)。另一個(gè)問(wèn)題是串?dāng)_，特別是在一些更高頻率條件下，其為鄰近信號(hào)和控制線(xiàn)路之間的電容和電感耦合。最終，由于信號(hào)線(xiàn)跡和接地層之間的物理差異，單端系統(tǒng)中產(chǎn)生的橫向電磁波 (TEM) 會(huì)輻射到電路環(huán)境中，從而成為鄰近電路的巨大電磁干擾源(EMI)。

差動(dòng)信號(hào)傳輸使用由兩條導(dǎo)線(xiàn)組成的信號(hào)對(duì)：一個(gè)用于正向電流，而另一個(gè)用于返回電流。每個(gè)信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)均有一個(gè)共模電壓 V_CM，其由 50% 差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器輸出 V_OD 疊加，但極性相反（參見(jiàn)圖 2）。


圖 2 差動(dòng)傳輸通道

當(dāng)差動(dòng)對(duì)的導(dǎo)線(xiàn)彼此接近時(shí)，引入到兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)的電耦合外部噪聲均勻地表現(xiàn)為接收機(jī)輸入端的共模噪聲。具有差動(dòng)輸入的接收機(jī)僅受信號(hào)差的影響，但不受共模信號(hào)的影響。因此，接收機(jī)不但抑制了共模噪聲，同時(shí)還保持了信號(hào)完整性。



圖 3 從單導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇笊⑸浯艌?chǎng)和差動(dòng)信號(hào)線(xiàn)對(duì)緊耦合導(dǎo)線(xiàn)回路之外的小散射磁場(chǎng)輻射出的 TEM 波

緊電子耦合還有另外一個(gè)好處。兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)中大小相等但極性相反的電流，會(huì)形成一些相互抵消的磁場(chǎng)。兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)的 TEM 波，現(xiàn)在其磁場(chǎng)被搶走，因此無(wú)法輻射到環(huán)境中。只有一些非常小的導(dǎo)線(xiàn)環(huán)路外部邊緣電場(chǎng)可以輻射，從而產(chǎn)生極小的 EMI。

應(yīng)用

緊靠系統(tǒng)控制器使用時(shí)，單端接口允許相對(duì)較高的頻率（高達(dá) 70 MHz）。差動(dòng)接口具有極高的抗噪性，可以大大低低 EMI，因此可以在高達(dá) 500 MHz 甚至更高的頻率下傳輸數(shù)據(jù)。

最常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口是內(nèi)部集成電路總線(xiàn) (I²C)、串行外設(shè)接口總線(xiàn) (SPI) 和低壓差動(dòng)信號(hào)傳輸接口 (LVDS)。在后面的《信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)》文章中，可以閱讀到這些內(nèi)容。