差分信号与单端信号:特征对比与区分要点

出处:网络整理 发布于:2025-07-10 17:06:23

  在电子信号传输领域,单端信号和差分信号是两种常见的信号类型。了解它们的特点、区别以及优缺点,对于电子工程师进行电路设计和信号处理至关重要。
  单端信号
  单端信号是相对于差分信号而言的。单端输入指信号由一个参考端和一个信号端构成,参考端一般为地端。这种信号传输方式较为简单,在早期的电子电路中应用广泛。例如,一些简单的传感器输出信号常采用单端信号形式,通过一根信号线将信号传输到后续的处理电路,以地作为参考电位。
  差分信号
  差分传输是一种先进的信号传输技术。与传统的单端信号(一根信号线加一根地线)不同,差分传输在两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相等,相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。差分信号在高速数据传输、高精度测量等领域有着广泛的应用,如计算机内部的高速总线、高速通信接口等。
  差分与单端信号比较
  差分信号与单端信号走线的做法相比,各有其优缺点。
  优点
  抗干扰能力强:干扰噪声一般会等值、同时地被加载到两根信号线上,而差分信号是取两根信号线上信号的差值,其差值为 0,即噪声对信号的逻辑意义不产生影响。例如,在复杂的电磁环境中,外界干扰可能会同时影响差分信号的两根线,但由于它们的差值不变,信号的有效信息得以保留。
  能有效抑制电磁干扰(EMI):由于两根线靠得很近且信号幅值相等,这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等,同时它们的信号极性相反,其电磁场将相互抵消。因此,差分信号对外界的电磁干扰也小。在一些对电磁兼容性要求较高的场合,如医疗电子设备、航空航天电子系统等,差分信号的应用可以有效减少电磁干扰对其他设备的影响。
  时序定位准确:差分信号的接受端是以两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点,作为判断逻辑 0/1 跳变的点。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑 0/1 的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大,不适合低幅度的信号。在高速数字电路中,准确的时序定位对于数据的正确传输和处理至关重要,差分信号的这一优点使其在高速通信领域得到了广泛应用。
  缺点
  若电路板的面积非常紧张,单端信号可以只有一根信号线,地线走地平面,而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小,以至于只能穿过一根走线的情况下。在一些小型化的电子产品设计中,如手机、智能手表等,电路板空间有限,单端信号的布线方式可能更为合适。
  注意事项
  由于差分比单端有不少好处,在模拟信号传输中很多人愿意使用差分信号。比如桥式应变片式力传感器,其输出信号满量程时有的也只有 2mV,如果使用单端信号传输,那么这个信号只要电源的纹波就能把它淹没。所以实际上,都是用仪表运放进行放大后,再进行处理。而仪表运放正是处理差分信号有力的工具之一。
  但是,使用差分信号时,一定要注意一个问题,即共模电压范围。也就是说,这两根线上的电压,相对于系统的地,还是不能太大。你传输 0.1V 的信号没问题,但是如果一根是 1000.0V,另外一根是 1000.1V,那就会出现问题。在很多场合下使用差分信号都是为了不让两个系统的地简单地共在一起,更不能把差分信号中的一根直接接在本地系统的地上,否则就又变成单端信号了。
  那么如何抑制共模电压呢?其实也挺简单的,将两根线都通过一个足够大的电阻,连接到系统的地上。这就像一根拴在风筝上的线,在地上跑跑跳跳,不会影响风筝的高度,但永远逃不出视线,而在电子行业,这个 “视线” 叫共模电压范围。
关键词:差分信号

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