李老師是真牛哇！ 不愧是搞硬件的出生，他一張嘴我就悟了，怪不得要老師傅帶學(xué)徒，雖然聽(tīng)著過(guò)癮，但是后面自己還是懵逼。

放大器里面各種的引腳，各種輸入口，最常出現(xiàn)的就是差分，單端，那到底是啥？

而且就像我寫(xiě)的INA121里面，輸入的信號(hào)為啥是一對(duì)兒的？

看左邊

一個(gè)差分信號(hào)是用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示兩個(gè)物理量之間的差異。 從嚴(yán)格意義上來(lái)講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)電壓而言的

‘差分信號(hào)時(shí)序定位準(zhǔn)確，差分信號(hào)的接受端是兩根線上的信號(hào)幅值之差發(fā)生正負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯 0/1 跳變的點(diǎn)的。 而普通單端信號(hào)以閾值電壓作為信號(hào)邏輯0/1 的跳變點(diǎn)，受閾值電壓與信號(hào)幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號(hào)。

在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)'地'被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。 當(dāng)'地'當(dāng)作電壓測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱(chēng)之為單端的。

單端傳輸是指用一根信號(hào)線和一根地線來(lái)傳輸信號(hào)，信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)就是單端信號(hào)。

單端信號(hào)是相對(duì)于差分信號(hào)而言的，單端輸入指信號(hào)有一個(gè)參考端和一個(gè)信號(hào)端構(gòu)成，參考端一般為地端。

優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是抗干擾能力差。

差分傳輸是指在兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的大小相等，極性相反，這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)(差模信號(hào))。

優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路比單端傳輸?shù)膹?fù)雜。

在一個(gè)單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理'雙極'信號(hào)。 為了處理單端，單電源系統(tǒng)的雙極信號(hào)，我們必須在地和電源干線之間某任意電壓處(通常是中點(diǎn))建立一個(gè)虛地。 用高于虛地的電壓來(lái)表示正極信號(hào)，低于虛地的電壓來(lái)表示負(fù)極信號(hào)。 接下來(lái)，必須把虛地正確地分布到整個(gè)系統(tǒng)里。 而對(duì)于差分信號(hào)，不需要這樣一個(gè)虛地，這就使我們處理和傳播雙極信號(hào)有一個(gè)高逼真度，而無(wú)須依賴虛地的穩(wěn)定性。

差分放大電路有什么作用?

差分放大電路又稱(chēng)為差動(dòng)放大電路，當(dāng)該電路的兩個(gè)輸入端的電壓有差別時(shí)，輸出電壓才有變動(dòng)，因此稱(chēng)為差動(dòng)。

差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號(hào)，那么什么是共模信號(hào)呢?

當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等，極性相反時(shí)，稱(chēng)為差模輸入信號(hào);

當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等、極性相同時(shí)，稱(chēng)為共模信號(hào)。

實(shí)際應(yīng)用中，溫度的變化各種環(huán)境噪聲的影響時(shí)共模噪聲，也稱(chēng)為對(duì)地噪聲，指的是兩根線分別對(duì)地的噪聲。

差分放大電路時(shí)直接耦合放大電路的基本組成單元，對(duì)于共模信號(hào)起到很強(qiáng)的抑制作用，未對(duì)差模信號(hào)起到放大作用，并且電路的放大能力與輸出方式有關(guān)。

什時(shí)候使用差分?

1.信噪比很差時(shí)，也就是信號(hào)很微弱，或周遭噪聲很高 ，例如 LVDS ( Low-voltage differentialsignaling )

2.當(dāng)信號(hào)路徑很長(zhǎng)時(shí)。 當(dāng)然一般而言，信號(hào)路徑是越短越好，既可減少損耗，又可防EMI擾，不論是干擾別人或是被別人干擾。 但有些信號(hào)必須走PCB內(nèi)層，以獲得良好的保護(hù)時(shí)，信號(hào)路徑不得不長(zhǎng)途跋涉此時(shí)便需要用差分信號(hào)

而如果我們想要把單端信號(hào)跟差分信號(hào)，做互相轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，便要透過(guò) Balun.

1兩信號(hào)線要盡可能靠近

2.兩信號(hào)線的間距須從頭到尾一致

3.兩信號(hào)需等長(zhǎng)

下面就來(lái)探討，為什么若不遵循以上三點(diǎn)，差分信號(hào)會(huì)發(fā)揮不出該有的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)克希荷夫電流定律(Kirchhoff's currentLaws-KCL)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)，只要有電流流出，便會(huì)有等量的電流進(jìn)入，以下圖為例.

這表示任何信號(hào)都會(huì)有所謂的回流電流，使整體信號(hào)路徑形成一個(gè)回路。 以下圖為例，

當(dāng)個(gè)單端信號(hào)由發(fā)射端(Tx)傳送到接收端(RX)時(shí)，會(huì)有一個(gè)回流電流經(jīng)由GND 再回到TX，使整體路徑形成一個(gè)回路.

ADC偽差分輸入：

為了既有差分輸入的優(yōu)點(diǎn)又有單端輸入簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，還有一種偽差分輸入，通過(guò)把信號(hào)地連到ADCIN-端實(shí)現(xiàn)一種類(lèi)似差分的連接。

偽差分（Pseudo-differential）信號(hào)連接方式減小了噪聲，并允許在儀器放大器的共模電壓范圍內(nèi)與浮動(dòng)信號(hào)連接. 在偽差分模式下，信號(hào)與輸入的正端連接，信號(hào)的參考地與輸入的負(fù)端連接。 偽差分輸入減小了信號(hào)源與設(shè)備的參考地電位(地環(huán)流)不同所造成的影響，這提高了測(cè)量的精度。

偽差分輸入與差分輸入在減小地環(huán)流和噪聲方面是非常相似的，不同的方面在于，差分輸入模式下，負(fù)端輸入是隨時(shí)間變化的，而在偽差分模式下，負(fù)端輸入一定僅僅是一個(gè)參考。 描述偽差分的另外一種方式就是，輸入僅僅在打破地的環(huán)流這個(gè)意義上是差分的，而參考信號(hào)(負(fù)端輸入)不是作為傳遞信號(hào)的，而僅僅是為信號(hào)(正端輸入)提供一個(gè)直流參考點(diǎn)。

偽差分輸入能有效抑制共模噪聲嗎？

能部分抑制。 由于兩線對(duì)“大地”阻抗不一致，所以抑制效果有限。

偽差分輸入與差分輸入相比有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

既然是“偽裝”的，原則上沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)只有缺點(diǎn)。 其缺點(diǎn)就是兩線不對(duì)稱(chēng)，共模抑制效果有限。 硬要湊一個(gè)優(yōu)點(diǎn)的話，就是可以勉強(qiáng)將單端輸出信號(hào)偽裝成差分，效果比完全單端連接效果稍好一點(diǎn)（解決兩端地的小范圍浮動(dòng)）。

但是使用差分信號(hào)時(shí)，一個(gè)不可忽視的問(wèn)題：共模電壓范圍，要求兩根線上的電壓，相對(duì)于系統(tǒng)的地不能太大。

傳輸 0.1V 的信號(hào)沒(méi)問(wèn)題，如果一根是1000.0，另外一根是1000.1就不行。 問(wèn)題在于，在很多場(chǎng)合下使用差分信號(hào)都是為了不讓兩個(gè)系統(tǒng)的地簡(jiǎn)單地共在一起。

如果把差分信號(hào)中的一根直接接在本地系統(tǒng)的地上又變成了單端，如何抑制共模電壓呢？

單端轉(zhuǎn)差分怎么轉(zhuǎn)呢？ 單單將單端信號(hào)用反向跟隨器跟隨并不是不行，但是差分信號(hào)被平白地放大了2倍，常見(jiàn)的用儀表運(yùn)放+普通運(yùn)放搭建的單端轉(zhuǎn)差分是個(gè)很好的實(shí)例。

對(duì)差分電路的幾個(gè)誤區(qū)：

1、認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)方提供回流途徑。 造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。 差分電路對(duì)于類(lèi)似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)是不敏感的。 地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路. 在PCB電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占 10~20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。 當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路，盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒(méi)有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加 EMI，要盡量避免。 也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號(hào)，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？ 不給共模信號(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成 EMI 輻射，這種做法弊大于利。

2、認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)更重要。 在實(shí)際的PCB布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)的要求。 由于管腳分布，過(guò)孔，以及走線空間等因素存在，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長(zhǎng)匹配的目的，但帶來(lái)的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無(wú)法平行。 PCB 差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長(zhǎng)，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。

3、認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。 讓差分走線靠近無(wú)非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。 雖說(shuō)這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對(duì)的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過(guò)彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制 EMI 的目的了。 如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？ 增大與其它信號(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過(guò)4 倍線寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。 此外，通過(guò)地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的（10G 以上）IC封裝PCB 設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用采用，被稱(chēng)為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制（2Z0）。 差分走線也可以走在不同的信號(hào)層中，但一般不建議這種走法，因?yàn)椴煌膶赢a(chǎn)生的諸如阻抗、過(guò)孔的差別會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼暋?此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會(huì)降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周?chē)呔€適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個(gè)問(wèn)題。 在一般頻率（GHz 以下），EMI 也不會(huì)是很?chē)?yán)重的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明，相距 500Mils 的差分走線，在3 米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達(dá)到 60dB，足以滿足 FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過(guò)分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問(wèn)題。

4、差分曼切斯特編碼并不是差分信號(hào)的一種，它指的是用在每一位開(kāi)始時(shí)的電平跳變來(lái)表示邏輯狀態(tài)“0”，不跳變來(lái)表示邏輯狀態(tài)“1”。 但每一位中間的跳變是用來(lái)做同步時(shí)鐘，沒(méi)有邏輯意義。

5、雙絞線上面走的不一定是差分信號(hào)，單端信號(hào)在雙絞線上的電磁輻射也比平行走線的輻射小。

審核編輯：湯梓紅