數(shù)字接口——單端與差動(dòng)接口對(duì)比

了解這些基本信號(hào)傳輸接口的關(guān)鍵特征和權(quán)衡因素

本《信號(hào)鏈路基礎(chǔ)知識(shí)》部分向您介紹了在將數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器以及將任何數(shù)字配置數(shù)據(jù)從控制器傳輸?shù)綌?shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時(shí)所必需的數(shù)字接口。其中所使用的兩種主要的信號(hào)傳輸方案就是單端和差動(dòng)信號(hào)傳輸。

單端數(shù)據(jù)傳輸僅使用一條信號(hào)線，其電勢(shì)被看作接地。當(dāng)信號(hào)線為信號(hào)電流提供正向通道時(shí)，接地線會(huì)提供回流通道。圖 1 顯示了單端傳輸通道的基本示意圖。

  
圖 1 單端傳輸通道

單端接口的優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)潔性和實(shí)施成本低，但也有三個(gè)主要的缺陷：

1)對(duì)噪聲拾取極為敏感，由于引入至信號(hào)或接地通道中的噪聲將直接添加到接收器輸入，因此會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的接收器觸發(fā)。

2)另一個(gè)值得關(guān)注的是串?dāng)_。串?dāng)_是相鄰信號(hào)和控制線之間的電容和電感耦合。

3)最后，信號(hào)線跡和接地層之間存在物理性差異，單端系統(tǒng)中產(chǎn)生的橫向電磁波 (TEM) 可以輻射到電路環(huán)境中，從而成為影響相鄰電路的嚴(yán)重電磁干擾 (EMI) 源。

差動(dòng)信號(hào)傳輸采用由兩條導(dǎo)線組成的信號(hào)線對(duì)：一條用于使電流正向流動(dòng)，另一條用于使電流回流。每條信號(hào)導(dǎo)線都具有一個(gè)共模電壓 VCM，該電壓與 50% 的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓 VOD 相疊加，但彼此極性相反（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。

  
圖 2 差動(dòng)傳輸通道

當(dāng)差動(dòng)線對(duì)的導(dǎo)線彼此接近時(shí)，引入至兩個(gè)導(dǎo)線中的電耦合外部噪聲會(huì)在接收器輸入端作為共模噪聲均勻出現(xiàn)。具有差動(dòng)輸入的接收器只對(duì)信號(hào)差敏感，但對(duì)共模信號(hào)抗擾。因此，該接收器可以抑制共模噪聲并保持信號(hào)完整性。

  
圖 3 從單導(dǎo)線周圍的大散射磁場(chǎng)和差動(dòng)信號(hào)線對(duì)緊耦合導(dǎo)線回路之外的小散射磁場(chǎng)輻射出的 TEM 波緊電子耦合可提供另一種好處。兩條導(dǎo)線中的電流等幅但極性相反，能夠產(chǎn)生彼此抵消的磁場(chǎng)。這樣，兩條導(dǎo)線的橫電磁波就被剝奪了磁場(chǎng)，因此不會(huì)輻射到環(huán)境中。只有導(dǎo)線回路之外非常小的散射磁場(chǎng)才有輻射，從而顯著降低了電磁干擾 (EMI)。

應(yīng)用
當(dāng)緊靠系統(tǒng)控制器應(yīng)用時(shí)，單端接口允許相對(duì)較高的頻率（高達(dá) 70 MHz）。差動(dòng)接口具有相當(dāng)高的抗干擾能力，可以顯著降低電磁干擾 (EMI)，因此其數(shù)據(jù)傳輸頻率可達(dá) 500MHz 或更高。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中最常實(shí)施的接口是內(nèi)部集成電路 (I2C) 總線、串行外設(shè)接口 (SPI)總線以及低壓差動(dòng)信號(hào)傳輸 (LVDS) 接口。敬請(qǐng)關(guān)注在未來(lái)《信號(hào)鏈路基礎(chǔ)知識(shí)》文章中討論的這些主題。

作者簡(jiǎn)介

  
 
Thomas Kugelstadt 現(xiàn)任 TI 高級(jí)系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)定義新型高性能模擬產(chǎn)品以及探測(cè)和調(diào)節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號(hào)的完整系統(tǒng)解決方案的開(kāi)發(fā)工作。

在 TI 工作的 20 年間，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國(guó)擔(dān)任過(guò)各種國(guó)際應(yīng)用職位。 Thomas 畢業(yè)于法蘭克福應(yīng)用技術(shù)大學(xué) (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業(yè)就成為一名見(jiàn)習(xí)工程師 (Graduate Engineer)。