一文讀懂差分信號

一個差分信號是用一個數值來表示兩個物理量之間的差異。從嚴格意義上來講，所有電壓信號都是差分的，因為一個電壓只能是相對於另一個電壓而言的。在某些系統里，系統 地"被用作電壓基準點。當 地"當作電壓測量基準時，這種信號規劃被稱之為單端的。我們使用該術語是因為信號是用單個導體上的電壓來表示的。

另一方面，一個差分信號作用在兩個導體上。信號值是兩個導體間的電壓差。儘管不是非常必要，這兩個電壓的平均值還是會經常保持一致。我們用一個方法對差分信號做一下比喻，差分信號就好比是蹺蹺板上的兩個人，當一個人被蹺上去的時候，另一個人被蹺下來了 - 但是他們的平均位置是不變的。繼續蹺蹺板的類推，正值可以表示左邊的人比右邊的人高，而負值表示右邊的人比左邊的人高。0 表示兩個人都是同一水平。

圖1 用蹺蹺板表示的差分信號

應用到電學上，這兩個蹺蹺板用一對標識為V+和V-的導線來表示。當V+>V-時，信號定義成正極信號，當V+

圖2 差分對圍繞擺動的平均電壓設置成 2.5V。當該對的每個信號都限制成 0-5V 振幅時，偏移該差分對會提供一個信號擺動的最大範圍。當用單一 5V 電源操作時，經常就會出現這種情況。

當不採用單端信號而採取差分信號方案時，我們用一對導線來替代單根導線，增加了任何相關介面電路的複雜性。那幺差分信號提供了什幺樣的有形益處，才能證明複雜性和成本的增加是值得的呢？

差分信號的第一個好處是，因為你在控制"基準 電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準，單端信號方案的系統里，測量信號的精確值依賴系統內 地"的一致性。信號源和信號接收器距離越遠，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復的信號值在很大程度上與"地"的精確值無關，而在某一範圍內。

差分信號的第二個主要好處是，它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導體上出現的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的 EMI 還要少。

差分信號提供的第三個好處是，在一個單電源系統，能夠從容精確地處理 雙極 信號。為了處理單端，單電源系統的雙極信號，我們必須在地和電源幹線之間某任意電壓處（通常是中點）建立一個虛地。用高於虛地的電壓來表示正極信號，低於虛地的電壓來表示負極信號。接下來，必須把虛地正確地分布到整個系統里。而對於差分信號，不需要這樣一個虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號有一個高逼真度，而無須依賴虛地的穩定性。

圖2 差分信號波形和單端等價

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