串行總線---差分互聯(lián)（一）【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-04-10  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

為了更快的傳輸數(shù)據(jù),我們能想到的辦法除了一次多傳輸幾位數(shù)據(jù)(增加并行總線的數(shù)量)之外,還有一種辦法就是提高單通道的數(shù)據(jù)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?dāng)_以及損耗等問題。為了解決這些問題,一種全新的數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)運而生,如圖1所示,他就是-----差分互聯(lián)。

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:

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(guān)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(yōu)點?

優(yōu)點1:差分驅(qū)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:

上圖中紅色和藍(lán)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(tǒng)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(yōu)點2:差分信號的值很大程度上與“地”的精確值無關(guān),能很好的抵抗電源的干擾。就像下面這幅圖,差分信號關(guān)注的是兩根線之間的電壓差值,與海平面的高度關(guān)系不大。

我們還是通過仿真來驗證下,如下圖5所示:

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。

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(jīng)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?dāng)_和突變的魯棒性更好。

優(yōu)點3:差分對內(nèi)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。

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(yōu)點,這些優(yōu)點奠定了串行信號穩(wěn)定傳輸?shù)幕A(chǔ)。當(dāng)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(shù)量的信號線。再者,如果差分信號不對稱,會產(chǎn)生潛在的EMI,這些問題都會在后續(xù)的文章中做詳細(xì)的分析。

問題來了

差分線既然可以互為參考,在設(shè)計時可以把參考層拿掉嗎,為什么?

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