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技术文章
高速串行链路设计专题 part 1 单端与差分信号传输
点击次数：2333 发布时间：2025/6/16 17:36:36
高速串行链路设计专题
作者：DavidZ
的信号，另一条线传输电压为的信号（相位相差180度）。两信号的总和为零，或者换句话说，共模电压为零。两根导线中的电流幅度相等但方向相反。为了定义有效的差分传输布线结构，两条信号线需要靠得足够近，以确保两线之间存在适当的耦合。如果两条线之间几乎没有耦合，或者耦合很弱，则该传输通道将被视为两个独立的单端传输路径。
当差分对中两线的间距相较波长较小时，参考平面中的噪声主要以共模噪声的形式耦合到差分对中。而当两线的间距相较波长开始变大时，参考平面中的噪声会逐渐以差分信号噪声的形式耦合到差分对中，进而对信号质量产生更大的影响。
图5 CML驱动
差分信号对接地和电源反弹的敏感性远低于单端信号。这使其在高速数据传输中更具优势。一种常用的差分信号驱动方法是电流模式逻辑（Current Mode Logic, CML）。CML驱动器在晶体管与接地引脚之间连接了一个恒定电流源，如图5所示。在正常情况下，由于电流通过阻抗的大小在时间上保持恒定，这种类型的信号驱动不会引发接地反弹。如果偶尔出现接地反弹，该反弹将以共模信号的形式从驱动器输出，而不会转化为差分噪声，从而有效抑制对信号质量的影响。
单端传输和差分传输各有优缺点。下面章节将列出其中一些。
1.1 单端和差分传输中的串扰
位于PCB同一层的走线之间的串扰在很大程度上取决于走线之间的距离。假设 PCB中有一个单端和差分信号传输（如图6所示），串扰系数设置为k ，例如
，其中A代表攻击者，V代表受害者。对于单端直通信号传输，
，我们得到的串扰与信号比为
式1
图6 走线间的串扰
对于差分信号传输，我们将直通信号摆幅设为
和 ，其中
。但是串扰将在攻击者和受害者中两条最近的走线之间占主导地位。如果我们简化并仅考虑最近走线之间的串扰，并将串扰系数设置为k，使得
和
。其中 ，
我们得到
。对于差分信号传输，我们得到的串扰与信号比为
式2
图6所示的结构，单端传输的串扰与信号比将是差分信号传输的两倍。差分信号传输的串扰将降低6dB。差分信号的噪声容限将更大。
此外，我们可以以特殊方式布置走线使得差分串扰最小化，见图7 。这种布置将最小化差分串扰，差分串扰将远小于上面给出的 6 dB。但这种导线布置将具有非常高的共模串扰，并且对于图7中的左侧示例，串扰中也会有高模态转换。
图7 为最小化差分串扰而排列差分信号的示例
1.2 单端和差分传输中的返回电流路径
对于单端传输，所有的返回电流必须通过参考接地结构进行流动。返回路径中的任何障碍物都可能对信号产生显著影响。例如，参考平面中的狭缝（split/slot）或PCB信号层的变化等，都会导致信号的返回路径不好。这些障碍物不仅会衰减信号并引入损耗，还会引发反射。
在差分传输中，来自邻近接地结构的影响较小。在理想平衡的信号传输和紧密耦合的结构中，接地结构中的总电流将为零（通过垂直切割信号路径的电流积分为零）。因此，与单端传输相比，参考接地结构中的障碍物对信号的影响要小得多。
值得注意的是，在差分信号中，参考平面中的电流在局部区域可能不为零。部分信号的返回电流将浮动在平面中，但由于导线中的信号电流总和为零（I + (-I) = 0），参考平面中的返回电流总和也将为零。
1.3 单端和差分传输中每传输一位的能量
当需要通过两根导线传输两个比特时，可以选择并行传输方式，将每个比特分别放在一根导线上进行单端传输；也可以选择串行传输方式，将两根导线作为差分信道。如果我们看一下发射器输出的一个比特的能量，对于单端传输和差分传输，我们得到以下结果。
对于摆幅等于U的单端方波信号，如果减去直流电平，则信号的 RMS 值为
。如果传输线中的特性阻抗为Z ，且一个比特的时间长度为T 。则传输一个比特的能量为
。在两根线上，我们可以在时间T内传输两个比特。
对于差分传输，我们有
。如果我们设定
与单端传输相同的幅度，我们则可得到
。当直流电平等于零，则差分信号的RMS值为
。差分传输需要两根线，并且要具有与单端传输相同的吞吐量，我们必须在时间T内发送两个比特。然后一个比特将获得等于T/2的时间长度。如果差分阻抗设定为单端阻抗的两倍2·Z。则传输一个比特的能量为
，其与一个单端传输中的能量相同。
在发射器中，单端传输和差分传输的每个比特所消耗的能量是相等的。但对于差分信号，比特长度是单端信号的一半。在一个010101…的比特序列中，差分传输的频率包含将是单端传输的两倍。传输信号的通道会有损耗，这些损耗是频率相关的，在 PCB 中，损耗与频率大致呈线性关系。这意味着在接收端，差分信号的损耗是单端传输的两倍。
但是，差分信号的信号幅度是单端信号的两倍。如果通道中的损耗小于6dB，且在单端传输和差分传输的半波特率之间（即差分传输的波特率是单端传输的两倍），那么差分传输的接收器将看到比单端接收器更高的电压幅度。如果损耗大于6dB，单端接收器将看到比差分接收器更大的幅度。在高损耗的通道中，单端传输的接收器将看到比差分传输接收器更大的信号。
然而，参考平面中的不好返回路径等问题将极大地降低单端传输的有效性。此外，对于单端传输，接收器需要一个阈值来判断输入信号是高电平还是低电平。在通道存在损耗的情况下，信号的幅度会减小，可能无法匹配固定的阈值电平。为了解决阈值电平问题，信号应通过电容进行直流隔离，并在接收端终端设置为阈值电平。通过直流隔离电容，数据必须进行加扰，以减少长时间连续出现1或0的风险。
当驱动差分信号时，发射器输出级将涉及更多的晶体管。此外，切换频率将是单端发射器的两倍。这将导致差分输出级的功率耗散比单端输出级更高。如果通道较短，损耗较低，并且参考平面中的返回路径几乎不好，那么与差分传输相比，使用单端传输可能具有一定的优势。通过单端传输可以实现较低的功率耗散，并且信号完整性性能几乎与差分信号相当。
对于超短距离（USR）传输，追踪长度仅为几厘米，芯片间直接连接，无封装和连接器的情况下，使用单端传输可能更加经济。如果传输的数据可以作为一个大并行的单端总线进行安排，则总线中的数据速率将较低，这样可以实现较低的边沿速率等，从而最小化由电流返回路径中产生的干扰影响。这也是芯片Die间互连采用单端并行总线的原因，因为他们通常只有2~3mm的连线长度。
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