差分信号

文章目录

差分信号
- 1.差分信号的引入
- 2.差分信号的概念
- 3. 差分信号的工程相关解释

我们在电子电气相关工程实践中，常常说到某某信号是差分传输的，伴随着一堆难以分辨、似是而非名词如差模、共模、差模干扰、共模干扰等。那么，到底什么是差分信号？为什么要用差分信号？干扰有哪些？差分有什么优势？希望这篇文章能够将这个问题讲个大概。

参考资料：新概念模拟电路

1.差分信号的引入

考虑电压信号的传输，传统的传输方法一般需要两根线，一根信号线，一根地线，如下图所示。

这样传输有什么问题呢？当传输线路中受到干扰，那么干扰只会影响us端的电位，线路中受到的干扰会直接传递到输出端口。特别地，当单端信号传输很长距离时，不可避免地要受到外界干扰，而一旦信号经过较为复杂的处理，那么提取出纯净的期望信号是很困难的，如下图所示。

那么这个问题有没有办法解决呢？
我们首先分析问题产生的原因，单端传输中，受到的干扰只影响了us电位，而输出信号是us与gnd的差值，us受到干扰，那么差值，即输出信号就一定会受到干扰。解决方法也很简单：要么保证us不受干扰，要么让gnd端电位受到和us端一样的干扰。

那么，在长距离信号传输中，完全去除干扰是基本不可能的，因此我们必须考虑第二种方法。因为gnd是电路的电位参考点，通常视为0，是不能随意更改的，那么是否意味着第二种办法也是行不通的呢？
当然不是，其实第二种方法的核心思想是，保证输出端两边的电压差不变。既然输出的一端是gnd，电位不能变，那我不用gnd做输出不就好了，用两根信号线做数据传输，并且将两根信号线排布的足够近，让两者受到基本相同的干扰，这样两者间的电位差就能够保持不受干扰的影响，这就是差分信号的基本思路。

2.差分信号的概念

严谨的差分信号定义如下：

差分信号需要两根线，两根线都是信号线，一根是正信号线，一根是负信号线，它们之间的相位刚好是相反的，如下图所示是纯差分信号的内部组成和外部表现。

差分信号用差值uD=uS+−uS−u_D=u_{S+}-u_{S-}uD=uS+−uS−表达信号的大小。
两根信号也会受到外部的干扰，这种干扰通常是施加给两个信号的，这就构成了如下图所示的更加普适的差分信号结构。

这里的uCu_CuC是干扰，从图中可以知道：
uS+=uC+0.5uDuS−=uC−0.5uDu_{S+}=u_C+0.5u_D \\ u_{S-}=u_C-0.5u_D uS+=uC+0.5uDuS−=uC−0.5uD
那么两式相减，可得输出为：
uS+−uS−=uDu_{S+}-u_{S-}=u_D uS+−uS−=uD
正好等于输入，而消去了干扰的影响。

因此，就有如下定义：
差模信号：差分信号中两个信号线之间的差值信号，称为差模信号。
共模信号：差分信号中两个信号线共有的信号，称为共模信号。
特别地，共模和差模信号，只适用于差分形式的信号源，对于单端信号源没有这个概念。

3. 差分信号的工程相关解释

理解了差分信号的概念之后，我们应该可以顺利地得出如下结论。
差模信号等于两信号端的差，共模信号等于两信号端和的一半，这个结论从上一节的公式可以很容易地推出，这里就不再详述了。
在差分传输中，差模信号是有用信号，而共模信号是干扰。
共模信号就是共模干扰，而差模干扰不是差模信号，有关共模干扰和差模干扰的问题可以参考这篇文章，写得比较清晰。
差分传输常用双绞线。差分传输的一个重要要求就是两个信号线传输时受到同样的干扰，以确保差值不变，因此两根线常用双绞线，以确保距离足够近，受到干扰一致，另外外设屏蔽层，减少外部干扰。
共模信号对差模输出信号没有影响，不代表可以无视它的存在。如某些差分放大器就对输入的共模电压的大小做出最大值限制，485通讯也要求将各个节点共地，以避免个节点共模电压不同导致出现不期望的环流。

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