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什么是差分线?硬件工程师电路设计基础知识!-燚智能硬件开发周教授

简介

什么是差分线 差分线用通俗的话讲,用两条平行的、等长的走线传输相位差180度的同一信号。 说白了,就是一根线传输正信号,一根线传输负信号。正信号减去负信号,得到2倍强度的有用信号。而两根线路上的干扰信号是一样的,相减之后干扰信号就没了。

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什么是差分线

差分线用通俗的话讲,用两条平行的、等长的走线传输相位差180度的同一信号

说白了,就是一根线传输正信号,一根线传输负信号。正信号减去负信号,得到2倍强度的有用信号。而两根线路上的干扰信号是一样的,相减之后干扰信号就没了。

什么是差分线?三分钟看懂差分线!硬件工程师电路设计基础知识!

↑图:差分线的原理,正减去负等于2倍正

差分线有什么用

使用差分线是为了抗干扰,从两个角度可以说明它的优点。

第一, 在相同电平幅度的信号中,差分线的峰峰值是单端线的两倍。

第二, 在相同的电路环境中,由于单端走线参考的是地平面,对于外界的干扰,受到的影响和地平面上受到的同一干扰表现差异很大,导致它在走线上的干扰和回流路径中的干扰无法相互抵消(单端走线电压基准为地平面);而差分线由于是平行等长走线,在相同的电路环境中,两条走线的耦合度很高,在受到同一干扰源时,两天线上的干扰程度接近,而差分线电压基准点为对应的另外一条走线,而不是地平面,对于共模干扰有较好的抑制能力。

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哪些地方用到差分线

差分线想要更高的抗干扰能力,来获得低的误码率,提升传输速率,但他需要比单端线对一条额外的线作为信号的回流线。

所以,只有在追求更高的传输速率或者更强的抗干扰能力的设计中才会不惜增加电路线的数量来保证传输的速率和更强的抗干扰能力。

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↑图:MIPI的信号走线

长距离传输,网线,485,CAN

差分线为了适应不同的功能需求,对于一些方面做了倾斜。比如:485、CAN,为了追求更远的传输距离,在使用差分走线的情况下还提高的传输电平(RS485: -7V至+12V之间 CAN 5V),降低了传输速率(RS485:小于10Mbps CAN:小于1Mbps)。

而电脑端连接的网线使用差分双绞线,由于传输距离小于485、CAN等总线,电压相对较低只有3V左右,传输速率可达到1Gbps,而双绞电话线由于需要带负载,电压高达48V(高内阻),传输速率也较网线要低。

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↑图:网线,每一对差分线都拧在一起

高速传输, USB3.0、MIPI、LVDS、SATA

差分线在用于高速传输时,电压幅度很低,MIPI在高速模式下(1Gbps以上)电压仅有200mV。在慢速模式下也只有1。2V的电压差。

那为什么在高速传输中电压往往会很低呢?原因就是为了获得更短的上升沿时间,信号质量的好坏,很重要的一个衡量因素就是眼图,只有眼睛睁得越开,信号质量就越好!在相同的电平下,差分走线的上升沿时间是单端走线的1/2,所以传输速率比单端走线高,何况差分走线抗干扰能力更强。

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印象彩票开户↑图:SATA数据线,2组,每组里面有2根线

差分线做的好不好,要看眼图

主要是看正负两个信号之间的差别大不大。大了就起不到差分信号的作用了。

差分线做的好,眼图的眼睛就瞪的大。后面我们会专门写写眼图的文章。

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高速差分线设计的硬件要求

差分走线中我们需遵循如下原则:

  • 第一:等长

只有走线严格意义上的等长才会在信号才能在同一时间到达接收端(默认两天走线的,在电路板上的介电常数完全一致),文章开头就定义,差分走线实际传输的是相位差180度的信号,最简单的能保证相位同步的方式就是等长走线。

  • 第二:差分阻抗连续

阻抗值只有在终端匹配中才被提及,对于差分传输线,理论上来说,信号只知道此时此刻传输点上面的阻抗值,它并不在意远端是什么样的阻抗。但在信号传输过程中,阻抗不匹配会发生反射,导致EMI问题,所以走线才会管控和中断匹配的走线阻抗。

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↑图:差分线模型

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