差分，单端到底是什么？-差分和单端运放

李老师是真牛哇！ 不愧是搞硬件的出生，他一张嘴我就悟了，怪不得要老师傅带学徒，虽然听着过瘾，但是后面自己还是懵逼。

放大器里面各种的引脚，各种输入口，最常出现的就是差分，单端，那到底是啥？

而且就像我写的INA121里面，输入的信号为啥是一对儿的？

看左边

一个差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。 从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的

‘差分信号时序定位准确，差分信号的接受端是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 跳变的点的。 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。

在某些系统里，系统地被用作电压基准点。 当地当作电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。

单端传输是指用一根信号线和一根地线来传输信号，信号线上传输的信号就是单端信号。

单端信号是相对于差分信号而言的，单端输入指信号有一个参考端和一个信号端构成，参考端一般为地端。

优点是简单方便，缺点是抗干扰能力差。

差分传输是指在两根线上都传输信号，这两个信号的大小相等，极性相反，这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。

优点是抗干扰能力强，缺点是电路比单端传输的复杂。

在一个单电源系统，能够从容精确地处理双极信号。 为了处理单端，单电源系统的双极信号，我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。 用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。 接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。 而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高逼真度，而无须依赖虚地的稳定性。

差分放大电路有什么作用?

差分放大电路又称为差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动。

差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，那么什么是共模信号呢?

当两输入端所接信号大小相等，极性相反时，称为差模输入信号;

当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。

实际应用中，温度的变化各种环境噪声的影响时共模噪声，也称为对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声。

差分放大电路时直接耦合放大电路的基本组成单元，对于共模信号起到很强的抑制作用，未对差模信号起到放大作用，并且电路的放大能力与输出方式有关。

什时候使用差分?

1.信噪比很差时，也就是信号很微弱，或周遭噪声很高 ，例如 LVDS ( Low-voltage differentialsignaling )

2.当信号路径很长时。 当然一般而言，信号路径是越短越好，既可减少损耗，又可防EMI扰，不论是干扰别人或是被别人干扰。 但有些信号必须走PCB内层，以获得良好的保护时，信号路径不得不长途跋涉此时便需要用差分信号

而如果我们想要把单端信号跟差分信号，做互相转换的动作，便要透过 Balun.

1两信号线要尽可能靠近

2.两信号线的间距须从头到尾一致

3.两信号需等长

下面就来探讨，为什么若不遵循以上三点，差分信号会发挥不出该有的优点

根据克希荷夫电流定律(Kirchhoffs currentLaws-KCL)，一个节点，只要有电流流出，便会有等量的电流进入，以下图为例.

这表示任何信号都会有所谓的回流电流，使整体信号路径形成一个回路。 以下图为例，

当个单端信号由发射端(Tx)传送到接收端(RX)时，会有一个回流电流经由GND 再回到TX，使整体路径形成一个回路.

ADC伪差分输入：

为了既有差分输入的优点又有单端输入简单的优点，还有一种伪差分输入，通过把信号地连到ADCIN-端实现一种类似差分的连接。

伪差分（Pseudo-differential）信号连接方式减小了噪声，并允许在仪器放大器的共模电压范围内与浮动信号连接. 在伪差分模式下，信号与输入的正端连接，信号的参考地与输入的负端连接。 伪差分输入减小了信号源与设备的参考地电位(地环流)不同所造成的影响，这提高了测量的精度。

伪差分输入与差分输入在减小地环流和噪声方面是非常相似的，不同的方面在于，差分输入模式下，负端输入是随时间变化的，而在伪差分模式下，负端输入一定仅仅是一个参考。 描述伪差分的另外一种方式就是，输入仅仅在打破地的环流这个意义上是差分的，而参考信号(负端输入)不是作为传递信号的，而仅仅是为信号(正端输入)提供一个直流参考点。

伪差分输入能有效抑制共模噪声吗？

能部分抑制。 由于两线对“大地”阻抗不一致，所以抑制效果有限。

伪差分输入与差分输入相比有哪些优缺点？

既然是“伪装”的，原则上没有优点只有缺点。 其缺点就是两线不对称，共模抑制效果有限。 硬要凑一个优点的话，就是可以勉强将单端输出信号伪装成差分，效果比完全单端连接效果稍好一点（解决两端地的小范围浮动）。

但是使用差分信号时，一个不可忽视的问题：共模电压范围，要求两根线上的电压，相对于系统的地不能太大。

传输 0.1V 的信号没问题，如果一根是1000.0，另外一根是1000.1就不行。 问题在于，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。

如果把差分信号中的一根直接接在本地系统的地上又变成了单端，如何抑制共模电压呢？

单端转差分怎么转呢？ 单单将单端信号用反向跟随器跟随并不是不行，但是差分信号被平白地放大了2倍，常见的用仪表运放+普通运放搭建的单端转差分是个很好的实例。

对差分电路的几个误区：

1、认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。 造成这种误区的原因是被表面现象迷惑，或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。 差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的。 地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径，其实在信号回流分析上，差分走线和普通的单端走线的机理是一致的，即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流，最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外，还存在相互之间的耦合，哪一种耦合强，那一种就成为主要的回流通路. 在PCB电路设计中，一般差分走线之间的耦合较小，往往只占 10~20%的耦合度，更多的还是对地的耦合，所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。 当地平面发生不连续的时候，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路，尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加 EMI，要尽量避免。 也有些设计人员认为，可以去掉差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的部分共模信号，但从理论上看这种做法是不可取的，阻抗如何控制？ 不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成 EMI 辐射，这种做法弊大于利。

2、认为保持等间距比匹配线长更重要。 在实际的PCB布线中，往往不能同时满足差分设计的要求。 由于管脚分布，过孔，以及走线空间等因素存在，必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的，但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行。 PCB 差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长，其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。

3、认为差分走线一定要靠的很近。 让差分走线靠近无非是为了增强他们的耦合，既可以提高对噪声的免疫力，还能充分利用磁场的相反极性来抵消对外界的电磁干扰。 虽说这种做法在大多数情况下是非常有利的，但不是绝对的，如果能保证让它们得到充分的屏蔽，不受外界干扰，那么我们也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制 EMI 的目的了。 如何才能保证差分走线具有良好的隔离和屏蔽呢？ 增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一，电磁场能量是随着距离呈平方关系递减的，一般线间距超过4 倍线宽时，它们之间的干扰就极其微弱了，基本可以忽略。 此外，通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用，这种结构在高频的（10G 以上）IC封装PCB 设计中经常会用采用，被称为CPW结构，可以保证严格的差分阻抗控制（2Z0）。 差分走线也可以走在不同的信号层中，但一般不建议这种走法，因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果，引入共模噪声。 此外，如果相邻两层耦合不够紧密的话，会降低差分走线抵抗噪声的能力，但如果能保持和周围走线适当的间距，串扰就不是个问题。 在一般频率（GHz 以下），EMI 也不会是很严重的问题，实验表明，相距 500Mils 的差分走线，在3 米之外的辐射能量衰减已经达到 60dB，足以满足 FCC的电磁辐射标准，所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。

4、差分曼切斯特编码并不是差分信号的一种，它指的是用在每一位开始时的电平跳变来表示逻辑状态“0”，不跳变来表示逻辑状态“1”。 但每一位中间的跳变是用来做同步时钟，没有逻辑意义。

5、双绞线上面走的不一定是差分信号，单端信号在双绞线上的电磁辐射也比平行走线的辐射小。

审核编辑：汤梓红