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数字接口 —— 单端与差动接口对比

了解这些基本信号传输接口的关键特征和权衡因素

作者:Thomas Kugelstadt,德州仪器 (TI) 高级应用工程师

本《信号链路基础知识》部分向您介绍了在将数字转换结果从模数转换器 (ADC) 传输到系统控制器以及将任何数字配置数据从控制器传输到数模转换器 (DAC) 时所必需的数字接口。其中所使用的两种主要的信号传输方案就是单端和差动信号传输。

单端数据传输仅使用一条信号线,其电势被看作接地。当信号线为信号电流提供正向通道时,接地线会提供回流通道。图 1 显示了单端传输通道的基本示意图。

图 1 单端传输通道

单端接口的优点包括简洁性和实施成本低,但也有三个主要的缺陷:

1)对噪声拾取极为敏感,由于引入至信号或接地通道中的噪声将直接添加到接收器输入,因此会导致错误的接收器触发。

2)另一个值得关注的是串扰。串扰是相邻信号和控制线之间的电容和电感耦合。

3)最后,信号线迹和接地层之间存在物理性差异,单端系统中产生的横向电磁波 (TEM) 可以辐射到电路环境中,从而成为影响相邻电路的严重电磁干扰 (EMI) 源。

差动信号传输采用由两条导线组成的信号线对:一条用于使电流正向流动,另一条用于使电流回流。每条信号导线都具有一个共模电压 VCM,该电压与 50% 的差动驱动器输出电压 VOD 相叠加,但彼此极性相反(请参见图 2)。

图 2 差动传输通道

当差动线对的导线彼此接近时,引入至两个导线中的电耦合外部噪声会在接收器输入端作为共模噪声均匀出现。具有差动输入的接收器只对信号差敏感,但对共模信号抗扰。因此,该接收器可以抑制共模噪声并保持信号完整性。

图 3 从单导线周围的大散射磁场和差动信号线对紧耦合导线回路之外的小散射磁场辐射出的 TEM 波

紧电子耦合可提供另一种好处。两条导线中的电流等幅但极性相反,能够产生彼此抵消的磁场。这样,两条导线的横电磁波就被剥夺了磁场,因此不会辐射到环境中。只有导线回路之外非常小的散射磁场才有辐射,从而显著降低了电磁干扰 (EMI)。

应用


当紧靠系统控制器应用时,单端接口允许相对较高的频率(高达 70 MHz)。差动接口具有相当高的抗干扰能力,可以显著降低电磁干扰 (EMI),因此其数据传输频率可达 500MHz 或更高。

数据转换器中最常实施的接口是内部集成电路 (I2C) 总线、串行外设接口 (SPI)总线以及低压差动信号传输 (LVDS) 接口。敬请关注在未来《信号链路基础知识》文章中讨论的这些主题。

作者简介


Thomas Kugelstadt 现任 TI 高级系统工程师,主要负责定义新型高性能模拟产品以及探测和调节工业系统中低电平模拟信号的完整系统解决方案的开发工作。

在 TI 工作的 20 年间,他曾被派往欧洲、亚洲以及美国担任过各种国际应用职位。 Thomas 毕业于法兰克福应用技术大学 (Frankfurt University of Applied Science),一毕业就成为一名见习工程师 (Graduate Engineer)。