一文详解单端信号与差分信号的区别

1、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。

2、差分信号

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法(单端信号)，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。

单端信号传输和差分信号传输是两种常见的信号传输方式，它们在抗干扰能力和信号质量等方面有一些明显的区别。

单端信号是指只有一个信号引脚传输信号的方式。在单端信号传输中，信号源的电压或电流相对于地(或参考电压)的变化表示信号的信息。单端信号传输简单且常见，适用于短距离的数据传输。优点是简单方便，能满足大多数领域对数据采集的需求，缺点是抗干扰能力相对较弱。

图1，来源于网络

差分信号是通过两个相互反向的信号引脚传输信号的方式。其中，一个引脚传输正向信号，另一个引脚传输反向信号。差分信号传输利用了两个引脚之间的电压差或电流差来表示信号的信息。

差分信号传输对于远距离传输可以提供更好的抗干扰能力，因为干扰信号通常会同时影响正向信号和反向信号，而差分接收器可以通过比较两个信号的差异来减少干扰的影响。因此，差分信号传输更适用于抗干扰要求较高的应用以及长距离传输等场景。

图2，来源于网络

差分信号传输的优点：

1、差分信号的总dI/dt比单端信号少，能降低EMI噪声和轨道塌陷。

2、差分信号在一对紧耦合差分传输线上传输，对返回路径的依赖没那么大。

3、使用差分线可以实现远距离差分信号的传输。

差分信号传输的缺点：

1、差分信号传输会使得收发端的电路变得复杂，系统的功耗也会随之上升。

2、如果设计不恰当，在差分信号线上有共模信号存在，会带来额外的EMI问题。

3、传输同样的数据，差分信号需要2根信号线，且差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近。这意味着电路连接更多、所需PCB面积更大。

差模信号：Vdiff=V1-V2

共模信号：Vcomm=1/2*(V1+V2)

V1=Vcomm+1/2*Vdiff

V2=Vcomm-1/2*Vdiff

这些信号和公式可以用来描述任何一对传输线上的信号，即使它们本身不是同一组差分对信号。

下图4是某芯片的LVDS信号定义和其测试波形。

理论上共模信号是恒定的。但实际上，因为PCB设计、线缆的差异等，都会引起共模信号的改变，并且带来两个问题。

(1)当共模信号过高时，负载端差分接收器的输入放大器会饱和，使之不能准确读取差分信号电压值。

(2)当共模信号有变化时，会引起EMI问题。

总结起来，单端信号和差分信号在电路复杂性、抗干扰能力、信号质量度等方面有所区别。单端信号适用于常规的信号传输场景，而差分信号更适用于长距离以及抗干扰要求较高的应用。差分信号传输能够提供更好的抗干扰能力和信号质量，但同时也需要更多的引脚和复杂的电路设计。因此，在选择信号传输方式时，需要根据具体应用需求和设计要求进行综合考虑。