您是否注意到差分信號在高性能信號路徑中越來越占主導(dǎo)地位?

差分信號(DifferenTIal Signal)在高速電路設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計，什么另它這么倍受青睞呢?在PCB設(shè)計中又如何能保證其良好的性能呢?帶著這兩個問題，我們進(jìn)行下一部分的討論。何為差分信號?通俗地說，就是驅(qū)動端發(fā)送兩個等值、反相的信號，接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。

a.抗干擾能力強(qiáng)，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

b. 能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，如圖在A-A‘的電流是從右到左，那B-B‘的是從左到右，那么按右手螺旋定則，那他們的磁力線是互相抵消的。耦合的越緊密，互相抵消的磁力線就越多。泄放到外界的電磁能量越少。

c.時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS(low voltage differenTIal signaling)就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。

差分信號提供了幾個優(yōu)點!我一直在考慮這樣一個事實，即每個差分信號路徑都有與之關(guān)聯(lián)的寄生共模信號路徑。

在差分信號路徑中，大多數(shù)環(huán)境噪聲作為共模噪聲耦合。許多差分器件非常擅長抑制這種噪聲。以下共模抑制比 (CMRR) 來自 LMH6881 可編程差分放大器 (PDA)。

CMRR 確定差分信號因共模噪聲干擾而造成的“污染”。這個數(shù)字非常重要，然而，它并不是全部。

雖然保留差分信號很重要，但也值得您考慮共模噪聲會發(fā)生什么。如果噪聲通過另一個設(shè)備，則該設(shè)備現(xiàn)在需要拒絕它。

從這些事實中，我們可以確定幾個關(guān)鍵點。

首先是在低頻下，共模抑制和共模增益(衰減)都對你非常有利。

但是，更高頻率會發(fā)生什么?CMRR 和共模衰減都開始下降。如果所討論的系統(tǒng)在非常高的頻率下(例如本地振蕩器或混頻器雜散)具有顯著噪聲，那么這種噪聲會發(fā)生什么?

從 CMRR 和共模增益圖可以看出，放大器將共模噪聲排除在差分信號之外的能力以及放大器衰減共模噪聲的能力在較高頻率下都會顯著降低。這意味著即使使用差分信號，隔離和包含噪聲的系統(tǒng)設(shè)計也很重要。

差分信號傳輸線需要端接以獲得最佳性能。這與單端傳輸線沒有什么不同。為了減少反射和不良信號輻射，傳輸線的寬帶終端非常重要。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員都會小心地端接差分傳輸線，至少從差分角度來看是這樣。然而，很多時候共模端接被忽略了。

未端接共模對差分信號路徑有何影響?

有兩個主要問題。

1. 當(dāng)共模未端接時，信號路徑更有可能從外部源接收不想要的共模噪聲。

2. 對于浮動或未端接共模，有源器件(放大器、混頻器、ADC)可能會遇到負(fù)載條件，從而導(dǎo)致性能下降。例如，許多差分放大器具有控制共模的有源電路。一些共模負(fù)載條件會降低這些電路的相位裕度。

濾波器通常用于衰減有源系統(tǒng)設(shè)備能力之外的噪聲和雜散。然而，差分濾波器可能完全無法衰減共模噪聲，除非它們專門設(shè)計用于衰減共模噪聲。

既然我們已經(jīng)意識到了與差分信號路徑中存在的寄生共模相關(guān)的一些潛在問題，那么一個很好的問題是我們?nèi)绾尉徑膺@些問題?

我將介紹三大類器件：無源電路、高阻抗有源電路和低阻抗有源電路。

讓我們從最簡單的例子開始，無源電路。系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常使用 LC 濾波器來消除噪聲。正如通常實施的那樣，差分濾波器將相對于地浮動。這對于差分響應(yīng)來說很好，但是共模信號沒有衰減，通過對濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的更改，我們得到了我們需要的。

與濾波器一樣，一些有源差分器件沒有任何共模信號的接地參考(或終端)。一個例子是LMH6521和其他帶有連接到輸出引腳的電感器的放大。LMH6521放大器是一款非常高速的數(shù)控可變增益放大器 (DVGA)。它具有全差分信號路徑，共模電阻為 2.5k-Ohm，這不足以使其成為共模能量的主要衰減器。

我們可以通過在電路中添加一些電阻器來增加LMH6521的共模能量耗散，。通過差分信號的美感，兩個 500 歐姆電阻器僅向差分電路增加了 1000 歐姆的負(fù)載，但它們提供 250 歐姆的共模端接。放大器輸出負(fù)載從添加電阻器之前的 180 歐姆變?yōu)橹蟮?152 歐姆。負(fù)載條件的這種變化對放大器性能的影響很小，但共模端接得到了很大改善。同樣的技術(shù)也可以用在放大器輸入端。

并非所有差分器件都相對于共模具有高阻抗。一些放大器(例如LMH3401)具有共?？刂齐娐?，可通過低噪聲、低阻抗電路設(shè)置放大器輸出共模。LMH3401有一個共模電路，基本上是一個單位增益放大器。它在 CM 處獲取電壓并在放大器輸出端對其進(jìn)行緩沖，從而固定放大器輸出引腳的共模。 對于共模，對于系統(tǒng)中的任何交流噪聲，放大器輸出實際上是對地短路。

LMH3401的共模輸出阻抗，通過選擇具有這些功能的放大器，我們可以獲得內(nèi)置共模抑制作為額外優(yōu)勢，并且我們無需對設(shè)計進(jìn)行任何額外操作。

如我們所見，有多種方法可以幫助減輕差分信號路徑上的共模噪聲拾取。其中一些需要一些計劃和一些額外的組件。一種更簡單的方法是選擇一個可以為我們工作的放大器。