信號鏈基礎知識#29：數字接口—單端接口與差動接口的對比

本《信號鏈基礎知識》系列文章向您介紹了在將數字轉換結果從模數轉換器 (ADC) 傳輸到系統控制器以及將任何數字配置數據從控制器傳輸到數模轉換器 (DAC) 時所必需的數字接口。其中所使用的兩個主要信號傳輸方案就是單端和差動信號傳輸。

單端數據傳輸僅使用一條信號線，其電勢被看作接地。在信號線為信號電流提供正向通道時，接地線會提供回流通道。圖 1 顯示了單端傳輸通道的基本原理圖。

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圖 1 單端傳輸通道

單端接口的主要優點可概括為簡潔性和較低的實施成本。然而，它們極易受噪聲拾取的影響，因為引入到信號或者接地通道的噪聲直接加到接收機輸入，從而引起偽接收機觸發。另一個問題是串擾，特別是在一些更高頻率條件下，其為鄰近信號和控制線路之間的電容和電感耦合。最終，由于信號線跡和接地層之間的物理差異，單端系統中產生的橫向電磁波 (TEM) 會輻射到電路環境中，從而成為鄰近電路的巨大電磁干擾源(EMI)。

差動信號傳輸使用由兩條導線組成的信號對：一個用于正向電流，而另一個用于返回電流。每個信號導線均有一個共模電壓 V_CM，其由 50% 差動驅動器輸出 V_OD 疊加，但極性相反（參見圖 2）。


圖 2 差動傳輸通道

當差動對的導線彼此接近時，引入到兩個導線的電耦合外部噪聲均勻地表現為接收機輸入端的共模噪聲。具有差動輸入的接收機僅受信號差的影響，但不受共模信號的影響。因此，接收機不但抑制了共模噪聲，同時還保持了信號完整性。



圖 3 從單導線周圍的大散射磁場和差動信號線對緊耦合導線回路之外的小散射磁場輻射出的 TEM 波

緊電子耦合還有另外一個好處。兩個導線中大小相等但極性相反的電流，會形成一些相互抵消的磁場。兩個導線的 TEM 波，現在其磁場被搶走，因此無法輻射到環境中。只有一些非常小的導線環路外部邊緣電場可以輻射，從而產生極小的 EMI。

應用

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

最常用的數據轉換器接口是內部集成電路總線 (I²C)、串行外設接口總線 (SPI) 和低壓差動信號傳輸接口 (LVDS)。在后面的《信號鏈基礎知識》文章中，可以閱讀到這些內容。