單端與差動訊號的差異:配線、抗雜訊能力、輻射、速度、規格比較

單端訊號以接地為基準讀取 1 條訊號線的電壓,配線少且簡單。差動訊號在 2 條線上傳送方向相反的訊號,以 2 條線的電壓差讀取 0 與 1。同樣出現在 2 條線上的雜訊或接地電位偏移,在取差值時會被抵消,反向電流所產生的電磁場也會互相抵消,因此能以小振幅快速且遠距離傳送。代價是 1 個訊號需要 2 條線,設計上也必須讓 2 條線的長度與間距一致。

項目單端訊號差動訊號
1 個訊號的線數1 條(回流電流共用接地)2 條(正、負成對)
讀取的基準與接地之間的電壓2 條線之間的電壓差
共模雜訊直接疊加在訊號上取差值時被抵消(取決於接收電路的 CMRR)
接地電位偏移傳送端與接收端的接地偏移直接成為誤差只要在接收電路容許的共模電壓範圍內,就不易受影響
輻射雜訊(EMI)電流迴路大,容易產生反向電流的電磁場互相抵消,不易產生
訊號振幅大。接近電源電壓(例:0 至 3.3 V)小。約數百 mV(LVDS 約 350 mV)
速度的大致範圍約數十至數百 Mbit/s。在終端等方面下工夫的記憶體匯流排,每條可達數 Gbit/s每對數百 Mbit/s 至數十 Gbit/s
配線設計簡單。高速訊號需注意特性阻抗與終端讓 2 條線的長度與間距一致,維持差動阻抗(多為 85 至 100 Ω)
成本與接腳數便宜,接腳少接腳與配線為 2 倍。收發電路也較複雜
代表性例子GPIO、I2C、SPI、UART、DDR 的資料(DQ)LVDS、USB、PCI Express、SATA、HDMI、乙太網路、CAN、RS-485

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

單端訊號
速度不太高、距離短,且想壓低接腳數與成本時。電路板上的 GPIO、I2C、SPI 等。
差動訊號
Gbit/s 等級的高速訊號、以纜線連接分離的設備、雜訊多的環境,或想抑制輻射雜訊時。PCIe、USB、乙太網路、車用 CAN 等。
兩者並用的例子
DDR 記憶體將數量多的資料線(DQ)設為單端,將作為時序基準的時脈與選通訊號(DQS)設為差動,兼顧接腳數與可靠性。

常見問題

為什麼差動訊號不易受共模雜訊影響?

將 2 條線並排靠近時,外來雜訊會以幾乎相同的大小同時疊加在兩條線上。接收端只讀取 2 條線的電壓差,因此相同大小的雜訊(共模雜訊)會在相減時消失。接地電位即使偏移,也會同樣施加在兩條線上,因此不易受影響。

差動訊號需要 2 條線,為什麼反而能更快傳送?

因為抗雜訊能力強,振幅可以縮小到數百 mV,充放電的電壓較小,就能更快切換。輻射雜訊也少,也不太需要在意接地電位偏移,因此在序列傳輸中每對可達數十 Gbit/s。

差動對的配線要注意什麼?

首先是讓 2 條線的長度一致。長度不同時,2 個訊號的抵達時間會錯開,差值波形會崩壞,一部分會轉為共模雜訊,輻射也會增加。此外,要讓 2 條線的間距保持一定,將差動阻抗維持在規格值(多為 85 至 100 Ω),並在接收端進行終端。

差動訊號不需要接地嗎?

並非完全不需要。2 條線電壓的平均值(共模電壓)必須落在接收電路容許的範圍內。為此,要共用接地,或以電容或變壓器隔斷直流,在接收端重新建立共模電壓。乙太網路以變壓器將設備之間隔離。

理解度檢測

在高速串列傳輸中,使用在兩條線上傳送反向訊號的差動訊號,其主要原因為下列何者?

  1. A因為有兩條線,所以可傳送的資料量必定變成2倍
  2. B因為即使其中一條線斷了,只靠另一條線也能以相同速度傳送
  3. C因為相同地疊加在兩條線上的雜訊,取差值後會被抵消,即使振幅小也能快速而確實地傳送
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正確答案:C. 因為相同地疊加在兩條線上的雜訊,取差值後會被抵消,即使振幅小也能快速而確實地傳送

差動訊號是以兩條線電壓的差值來表示0與1。外來的雜訊會幾乎相同地疊加在相鄰並行的兩條線上,因此取差值後會被抵消。因此可將振幅縮小到數百毫伏特,改變電壓所需的時間與電力減少,得以高速傳送。由於兩條線的電流方向相反,向外輻射的電磁雜訊也會變小。

晶片或電路板之間的高速連接,從排列大量訊號線的並列傳輸,轉變為用少量訊號線傳送高速訊號的串列傳輸,其主要原因為下列何者?

  1. A並列傳輸中各條線的到達時間差(偏斜,skew)會成為問題,難以提高速度
  2. B串列傳輸不使用電力,因此耗電量為0
  3. C並列傳輸被法律禁止了
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正確答案:A. 並列傳輸中各條線的到達時間差(偏斜,skew)會成為問題,難以提高速度

並列傳輸必須以同一個時脈對齊並接收大量線路上的位元。速度提高後,因配線長度些微差異所造成的到達時間差(偏斜)相對於時脈週期已無法忽略,無法再進一步提速。串列傳輸是在每一對線路上從資料中取出時脈,因此沒有偏斜的問題,每條線的速度可大幅提高。同時也能減少腳位與配線的數量。

下列關於PCI Express「通道(lane)」的說明,何者正確?

  1. A是各具有一組傳送用與接收用差動對的連接單位,可將通道合併以增加頻寬
  2. B以一條線交替切換傳送與接收來進行的單位
  3. C插入PCI Express裝置的插槽之實體長度
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正確答案:A. 是各具有一組傳送用與接收用差動對的連接單位,可將通道合併以增加頻寬

PCI Express的1個通道由傳送用差動對與接收用差動對共4條線構成,可同時雙向傳送資料。如x4或x16般將通道合併後,資料會分配到各通道傳送,因此頻寬會與通道數成正比增加。顯示卡常用x16,SSD常用x4,網路卡則常用x1~x8等。

  1. 差動放大電路的CMRR(共模拒斥比)大,其意義下列哪一項正確?
  2. 對ADC使用差動輸入的優點,下列何者正確?
  3. 在兩端裝有120 Ω終端電阻的CAN匯流排上,於電源關閉的狀態下量測CAN_H與CAN_L之間的電阻。正常時最接近的值是下列何者?

前往介面與匯流排規格的練習題

相關名詞的解說

差動訊號(Differential signaling)
在兩條線上傳送反向的訊號,以電壓差表示 0 與 1 的方式。兩條線上同樣疊加的雜訊會被抵消,因此能以較小的振幅高速傳送。
CMRR(共模訊號拒斥比)
在差動放大電路中,差動訊號的增益與同樣加在兩個輸入上的共模訊號增益之比。越大,越能去除配線上的共同雜訊。
特性阻抗(Characteristic impedance)
沿傳輸路徑前進的電波所感受到的電壓與電流之比。由走線寬度與層間距離決定,若途中有變化之處,訊號就會反射。
PCI Express
連接 CPU 與 GPU、SSD、網路卡等的高速序列擴充介面。亦寫作 PCIe。將通道(lane)綁在一起以增加頻寬,每一代速度約為前一代的 2 倍。
串擾
因相鄰導線之間的電容耦合等,使其中一條訊號的變化以雜訊形式出現在另一條上的現象。可藉由加大導線間距或加入屏蔽導線來抑制。

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