1 了解差分信号的优势

单端信号传输是一种简单且常见的方式，用于从发射器向接收器传输电信号，反之亦然。单端电信号通过一个电压传输，该电压通常变化并以固定电位（通常为 0V 节点或接地）为参考；差分信号则使用两个互补的反相电压信号，以共模电压为参考来承载信息。图 1-1 展示了从单端到差分的转换，其中差分信号幅度相等但极性相反。

图 1-1 通过理论无源平衡-非平衡变压器实现非平衡到平衡信号转换

差分配置允许共模噪声或串扰以共模信号形式进入，该信号在两条线路中相等，并在接收器处被减去。这使得差分信号更加稳健，因为差分拓扑具有固有的共模噪声抗扰度。差分接收器通过检测反相与非反相信号之间的差值来提取信息。两个电压信号是平衡的，意味着相对于共模电压它们具有相等幅度和相反极性。与这些电压相关的回流电流也是平衡的，因此相互抵消。

共模抑制比 (CMRR) 通常针对全差分 ADC 输入规定，描述 ADC 抑制共模（通常为直流）电压的能力。出现在 ADC 输入两端的直流共模电压与直流输入失调具有相同效果。通常，如果信号与地在物理上靠得很近，就会耦合共模噪声。CMRR 定义为差分电压增益与共模电压增益之比：

注意，CMRR 是频率相关参数。随着共模电压频率升高，为获得最佳共模抑制所需的非反相信号与反相信号之间的相位匹配变得更难维持。因此，在更高频率下更难获得良好的共模抑制。

差分信号的关键优势之一是动态范围提高。随着高速和射频数据转换器的电源电压降至 3.3V 及更低，设计工程师正在寻找实现更大输入动态范围的方法。理论上，在单端和全差分输入具有相同电压范围的情况下，全差分输入的动态范围将翻倍。这是因为两个差分输入可以相差 180° 相位，如图 1-1 所示。理解这一优势的另一种方式是它与信噪比 (SNR) 的关系。SNR 根据满量程输入电平和 ADC 的最小可检测信号定义：

通常，最小可检测信号受噪声底限制。由于全差分输入具有两倍的满量程输入电压电平，噪声水平与单端配置大致相同，同时具有更优的直流和交流共模抑制，因此 SNR 提高。然而，许多单端信号必须保持相对较高的电压以确保足够的 SNR。常见的单端接口电压为 5V 或更高。由于抗噪声能力提高，在较低电压系统中采用差分方案有利于保持足够的 SNR。