串行總線-差分互聯知識介紹（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，然而隨著單通道速率的提升，信號完整性問題又會變得越來越突出，尤其是串擾以及損耗等問題。為了解決這些問題，一種全新的數據傳輸方式應運而生，如圖1所示，他就是-----差分互聯。

圖 1

差分線的主要特點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單端電壓。信號接收端關注的是這兩根線的電壓差，那么使用這種傳輸方式到底有什么優點？

優點1：差分驅動總的dI/dt會比單端信號線上大幅降低，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，但是單根線上的電流卻保持不變。如果采用傳統的單線傳輸方式，單根線的dI/dt也會增加一倍，這樣更容易造成EMI問題。

優點2：差分信號的值很大程度上與“地”的精確值無關，能很好的抵抗電源的干擾。就像下面這幅圖，差分信號關注的是兩根線之間的電壓差值，與海平面的高度關系不大。

圖4

我們還是通過仿真來驗證下，如下圖5所示：

圖 5

如下圖所示，左邊是理想GND時的單端與差分信號波形，右邊是地平面存在波動的時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。但是這些干擾經過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。

優點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的影響。單根線和差分線跨分割分別會怎樣？我們還是來驗證一下。在仿真的時候，我們讓單線和差分對線長都為1inch，使用普通Fr4板材，來看看跨分割對信號的影響。

圖7

圖8

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

以上三點就是本人理解的差分線最明顯的優點，這些優點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，最大的缺點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。再者，如果差分信號不對稱，會產生潛在的EMI，這些問題都會在后續的文章中做詳細的分析。

審核編輯：劉清