差分信号

差分信号 (Differential Signaling)

核心优势	抗干扰能力强、抑制共模噪声
判定指标	共模抑制比 (CMRR)
关键约束	阻抗匹配、等长布线
常见接口	CAN, RS485, LVDS, USB

差分信号是一种信号传输技术，其特点是使用两根相互绝缘的导体传输幅度相等、相位相反的信号。接收端通过测量这两根线之间的电压差来还原逻辑状态，而非参考地电位。

工作原理与数学表达

假设差分对的两根线电压分别为 V+ 和 V-，则：

• 差模信号 (Differential Mode)：

$V_{diff}=V_{+}-V_{-}$

• 共模信号 (Common Mode)：

$V_{cm}=\frac{V_{+}+V_{-}}{2}$

当外部干扰（如 50kW 变频器产生的电磁脉冲）作用于传输线时，干扰通常会以相同形式耦合到两根线上（即共模噪声）。接收器利用差分放大器仅对差值敏感的特性，通过下式消除干扰：

$V_{out}=A\cdot (V_{+}-V_{-})$

差分信号的显著优势

1. 抑制共模干扰：在复杂的工业环境中，地电位经常发生瞬时抬升（Ground Bounce）。由于差分信号不以地为参考，其通信稳定性远高于单端信号。
2. 降低对外辐射：由于两根线电流方向相反、磁场抵消，差分对产生的电磁辐射（EMI）极低，有助于通过严苛的辐射发射测试。
3. 低电压波动：较小的电压摆幅即可实现高速数据传输（如 LVDS），有利于降低功耗和提升主频。

工程布线三原则 (曾工规范)

1. 等长 (Equal Length)：两根信号线的长度差异必须控制在极小范围内（通常 < 5mil），否则会导致时序偏移，并将部分差分信号转化为共模噪声。
2. 紧耦合 (Close Coupling)：差分对应保持平行的等间距布线，确保受到的干扰尽可能一致，以最大化利用 共模抑制比 (CMRR)。
3. 阻抗匹配 (Impedance Matching)：根据标准要求（如 CAN 总线 120Ω，USB 90Ω）进行控制，防止信号在末端产生反射，导致波形畸变。

在功率电子与医疗中的应用

• 隔离驱动：在 50kW 系统中，驱动信号通常采用差分形式穿过高压隔离带，防止开通瞬间的 dv/dt 误触发开关管。
• 医疗传感：心电 (ECG) 信号采集必须使用差分输入，才能在强工频干扰中提取出微弱的生物电信号。

参见

• 共模抑制比 (CMRR)
• dv/dt
• 阻抗匹配
• CAN 总线