单端输入和差分输入的利与弊,你知道吗?

发布日期:2022-08-17 浏览次数:47

平时总是听别人说单端输入、差分输入,你是不是内心一片茫然,根本不懂,我们今天好好讲下单端输入、差分输入的不同之处!
 
首先我们了解一下什么是单端信号、什么是差分信号!
 
【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。
 
我们可以这样理解:参考端就是放风筝的人,信号端就是天上的风筝,信号的电平高低,可以理解为是风筝线的长短,这样大家可以想象出单端输入的景象吗,一个人在一个永不变化的水平面放风筝。
 
【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。
 
那么他们有啥区别,到底那个更好呢?
 
【单端与差分信号比较】
 
差分信号与单端信号走线的做法相比,其优缺点分别是:
 
优点:
 
1、抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上,而其差值为0,即噪声对信号的逻辑意义不产生影响。
 
2、能有效抑制电磁干扰(EMI)。由于两根线靠得很近且信号幅值相等,这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等,同时他们的信号极性相反,其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。
 
3、时序定位准确。差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点,作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大,不适合低幅度的信号。
 
缺点:
 
若电路板的面积非常紧张,单端信号可以只有一根信号线,地线走地平面,而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小,以至于只能穿过一根走线的情况下。
 
【异同分析】
 
1、基本区别
 
不说理论上的定义,说实际的。单端信号指的是用一个线传输的信号,一根线没参考点怎么会有信号呢?easy,参考点就是地啊。也就是说,单端信号是在一跟导线上传输的与地之间的电平差。那么当你把信号从A点传递到B点的时候,有一个前提就是A点和B点的地电势应该差不多是一样的,为啥说差不多呢,后面再详细说。
 
差分信号指的是用两根线传输的信号,传输的是两根信号之间的电平差。当你把信号从A点传递到B点的时候,A点和B点的地电势可以一样也可以不一样,但是A点和B点的地电势差有一个范围,超过这个范围就会出问题了。

2、传输上的差别
 
单端信号的优点是,省钱、方便。大部分的低频电平信号都是使用单端信号进行传输的。一个信号一根线,最后,把两边的地用一根线一连,完事。缺点在不同应用领域暴露的不一样,归结起来,最主要的一个方面就是,抗干扰能力差。
 
首先说最大的一个问题,地电势差以及地一致性。大家都认为地是0V,实际上,真正的应用中地是千奇百怪变化莫测的一个东西。比如A点到B点之间,有那么一根线,用来连接两个系统之间的地,那么如果这根线上的电流很大时,两点间的地电势可能就不可忽略了,这样一个信号,从A的角度看起来是1V,从B的角度看起来可能只有0.8V了,这可不是一个什么好事情,这就是地电势差对单端信号的影响。
 
接着说地一致性。实际上很多时候这个地上由于电流忽大忽小,布局结构远远近近, 地上会产生一定的电压波动,这也会影响单端信号的质量。
 
差分信号在这一点有优势,由于两个信号都是相对于地的 ,当地电势发生变化时,两个信号同时上下浮动(当然是理想状态下), 差分两根线之间的电压差却很少发生变化,这样信号质量不久高了吗?其次就是传输过程中的干扰,当一根导线穿过某个线圈时,且这根线圈上通着交流电时,这根导线上会产生感应电动势。
 
好简单的道理,实际上工业现场遇到的大部分问题就是这么简单,可是你无法抗拒~ 如果是单端信号,产生多少,就是多少,这就是噪声你毫无办法。但是如果是差分信号,你就可以考虑,因为两根导线是平行传输的, 每根导线上产生的感应电动势是一样,两个一减,它就没了~ 确实,同样的情况下,传输距离较长时,差分信号具有更强的驱动能力、更强的抗干扰能力,同样的,当你传输的信号会对其他设备有干扰时,差分信号也比单端信号产生的信号相对小,也就是常说的EMI特性。
 
3、使用时需要注意的
 
由于差分比单端有不少优势,在模拟信号传输中很多人愿意使用差分信号,比如桥式应变片式力传感器,其输出信号满量程时有的也只有2mV,如果使用单端信号传输,那么这个信号只要电源的纹波就能把他耗光。所以实际上,都是用仪表运放进行放大后,再进行处理。而仪表运放正是处理差分信号最有力的几个工具之一。
 
但是,使用差分信号时,一定要注意一个问题:共模电压范围。也就是说,这两根线上的电压,相对于系统的地,还是不能太大。传输0.1V的信号没问题,但是如果一根是 1000.0 ,另外一根是 1000.1,那就不行了,问题在于,在很多场合下使用差分信号都是为了不让两个系统的地简单的共在一起,不能把差分信号中的一根直接接在本地系统的地上,那样又变成单端了,如何抑制共模电压呢?
 
单端转差分怎么转呢?单单将单端信号用反向跟随器跟随并不是不行,但是差分信号被平白的放大了2倍,常见的用仪表运放+普通运放搭建的单端转差分是个很好的实例。