信号链基础知识#29：数字接口—单端接口与差动接口的对比

信号链基础知识#29：数字接口—单端接口与差动接口的对比

本《信号链基础知识》系列文章向您介绍了在将数字转换结果从模数转换器 (ADC) 传输到系统控制器以及将任何数字配置数据从控制器传输到数模转换器 (DAC) 时所必需的数字接口。其中所使用的两个主要信号传输方案就是单端和差动信号传输。

单端数据传输仅使用一条信号线，其电势被看作接地。在信号线为信号电流提供正向通道时，接地线会提供回流通道。图 1 显示了单端传输通道的基本原理图。

 

图 1 单端传输通道

单端接口的主要优点可概括为简洁性和较低的实施成本。然而，它们极易受噪声拾取的影响，因为引入到信号或者接地通道的噪声直接加到接收机输入，从而引起伪接收机触发。另一个问题是串扰，特别是在一些更高频率条件下，其为邻近信号和控制线路之间的电容和电感耦合。最终，由于信号线迹和接地层之间的物理差异，单端系统中产生的横向电磁波 (TEM) 会辐射到电路环境中，从而成为邻近电路的巨大电磁干扰源(EMI)。

差动信号传输使用由两条导线组成的信号对：一个用于正向电流，而另一个用于返回电流。每个信号导线均有一个共模电压 V_CM，其由 50% 差动驱动器输出 V_OD 叠加，但极性相反（参见图 2）。


图 2 差动传输通道

当差动对的导线彼此接近时，引入到两个导线的电耦合外部噪声均匀地表现为接收机输入端的共模噪声。具有差动输入的接收机仅受信号差的影响，但不受共模信号的影响。因此，接收机不但抑制了共模噪声，同时还保持了信号完整性。



图 3 从单导线周围的大散射磁场和差动信号线对紧耦合导线回路之外的小散射磁场辐射出的 TEM 波

紧电子耦合还有另外一个好处。两个导线中大小相等但极性相反的电流，会形成一些相互抵消的磁场。两个导线的 TEM 波，现在其磁场被抢走，因此无法辐射到环境中。只有一些非常小的导线环路外部边缘电场可以辐射，从而产生极小的 EMI。

应用

紧靠系统控制器使用时，单端接口允许相对较高的频率（高达 70 MHz）。差动接口具有极高的抗噪性，可以大大低低 EMI，因此可以在高达 500 MHz 甚至更高的频率下传输数据。

最常用的数据转换器接口是内部集成电路总线 (I²C)、串行外设接口总线 (SPI) 和低压差动信号传输接口 (LVDS)。在后面的《信号链基础知识》文章中，可以阅读到这些内容。