干货！差分信号简介
什么是差分？
驱动端发送两个大小相等，方向相反的信号，接收端会有一个相减器，比较这两信号的差值，来判断逻辑位是0 或是1，承载差分信号的那一对走线，即称为差分走线，或差动对。
图 1. 差动对
上图是差动对示意图。两个大小相同，方向相反的信号，分别在两个导体上传输，其两信号的差，即为差分信号。用数学式表示 :
如果用跷跷板来表示 :
图 2. 跷跷板示意图
所谓的正电压跟负电压，都是V1 跟V2比较出来的结果。
这点跟传统的单端信号不一样。单端信号中，所谓的正电压或负电压，是跟GND ( 电位 = 0 ) 比较出来的。上面图1 也可以看成两个单端信号：
图 3. 双绞线
日常生活中常见的双绞线，就是典型的差分信号，但它是立体3D的。该文主要还是针对平面式差动对来做探讨。
为什么要用差分 ?
使用差分信号的第一个好处，就是具错误更正效果。
图 4. 有噪声的单端信号
由上图知道，如果在单端信号中有噪声，即VERROR，则会直接进入接收器，严重一点可能会造成逻辑误判。在那些对于时序有很精密要求的系统中，会有很重大的影响。
图 5. 有噪声的差分信号
由(3)式知道，差分信号为两信号的差，因此图5 中，接收器接收到的信号为
因为正信号跟负信号上的VERROR大小相等，因此(6)式的差分信号，其VERROR会被消除掉。若以图表示之 :
图 6. 有噪声的差分信号
由图6 可知其差动对的噪声，会透过相减器消除，使输出信号干净无瑕。
第二个好处，就是防EMI 干扰，不论是干扰别人或是被别人干扰，都可有效抑止。这也是为什么高速信号一般都用差分信号，以加强其信号完整性，将失真度降到最低。
图 7. 差分信号之耦合示意图
B 跟C 为差分对，而A 为邻近的信号。在PCB 板面积极为有限的产品，例如手机，A 跟B、C 有可能会靠得很近，在这情况下，A 会把能量耦合到B跟 C，以S 参数表示，A 耦合到B 为SBA ，A 耦合到C 为SCA 。当B 跟C 够紧密时，则SBA = SCA ，而又因为B 跟C 的信号方向相反，所以SBA跟SCA是等量又反向，如此一来， SBA跟SCA会相消，这就是为何差动对可以防止被其他信号干扰之故。
什时候使用差分?
1. 信噪比很差时，也就是信号很微弱，或周遭噪声很高，例如LVDS ( Low-voltage differential signaling ) 。
2. 当信号路径很长时。当然一般而言，信号路径是越短越好，既可减少损耗，又可防EMI 干扰，不论是干扰别人或是被别人干扰。但有些信号必须走PCB内层，以获得良好的保护时，信号路径不得不长途跋涉。此时便需要用差分信号。
而如果我们想要把单端信号跟差分信号，做互相转换的动作，便要透过Balun。
怎样使用差分?
当然差分信号，有其该注意的地方，否则便会发挥不出该有的优点。
1. 两信号线要尽可能靠近
2. 两信号线的间距须从头到尾一致
3. 两信号需等长
下面就来探讨，为什么若不遵循以上三点，差分信号会发挥不出该有的优点。
根据克希荷夫电流定律 (Kirchhoff's current Laws-KCL)，一个节点，只要有电
流流出，便会有等量的电流进入，以下图为例 :
图8. KCL
这表示任何信号都会有所谓的回流电流，使整体信号路径形成一个回路。以图9
为例，当一个单端信号由发射端 (Tx)传送到接收端 (RX)时，会有一个回流电流经由GND 再回到Tx，使整体路径形成一个回路。
图9. 单端信号回流电流示意图
而由图9 也知道，在形成回路过程中，会有电磁波辐射，进而产生EMI 干扰，而EMI 强度跟回路面积有关。所以为什么信号路径越短越好，主要原因就是回路面积缩小，其产生的EMI 干扰也跟着减弱。
图10. 差分信号回流电流示意图
至于差分信号，其回流电流是沿着另一条信号，不会流过GND。因此为什么两信号线要尽可能靠近，在图7 说明过，可以防止信号被干扰。如果B 跟C 离太远，则 SBA > SCA，如此一来， SBA 跟SCA不会完全相消，会有残留的SBA，即B还是会受到A 的干扰。
另外由图10 知，两信号线的间距，会决定回路面积，因此间距小，回路面积就小，产生的EMI 也小，不会去干扰别人。
承上，那么差分信号的长度，也会决定回路面积，是不是差分信号的长度，越短越好 ? 答案是肯定的，我们在第6 页说过，信号路径是越短越好，既可减少损耗，又可防EMI 干扰，长途跋涉是不得不的选择，这点不管单端或差分信号都适用。 另外，以图7 为例，其差分阻抗为2(Z0 - ZBC)， Z0为特性阻抗，ZBC是来自B 跟C 的相互耦合所产生的阻抗，跟B C 间的间距有关，故两信号线的间距须从头到尾一致，这样ZBC才会固定，其差分阻抗2(Z0 - ZBC)也才会一致，避免因阻抗不匹配而导致反射。
图11. 不等长的差分信号
严重减损的恶劣环境下，必须要用差分信号的走线，来使失真度降到最低。因此，如果今天信号在这些恶劣环境下，依然走单端形式，那么其信号完整性必定大大降低。图11 中，B 跟C 为差动对，A 为邻近信号。在length 1 中，B 跟C 靠得够近，因此不会去干扰A，也不会被A 干扰。同时，间距也一致，不会造成阻抗变化而导致反射。但是，因为B 跟C 的长度不同，导致length 2 中，只有B
信号，这样就变成单端信号了。因为使用差分信号的环境，多半是对于信号完整性有严重减损的恶劣环境，若该环境下依然走单端形式，那么其信号完整性必定大大降低。因此在使用差分信号时，须严格要求两信号线长度一致。
差分信号的缺点
当然差分信号，也不是没有缺点，否则所有信号都一律走差分形式就好了。
最主要是会造成走线跟零件的数量变两倍，导致成本增加，以及layout 的面积跟复杂度提高，因此，多半是关键的信号线才会走差分形式，例如数字高速信号。
接地
在此针对接地的概念，再做更详细说明。前面提到，任何信号都会有所谓的回流电流，使整体信号路径形成一个回路。单端信号的回流电流是经由GND，而单端信号中，所谓的正电压或负电压，是跟GND ( 电位 = 0 ) 比较出来的。因此若 GND 的电位非恒为0，则会造成ERROR V ，但差动对因为其回流电流是沿着另一条信号，不会流过GND，因此即使GND 的电位非恒为0，也不会影响其信号的电压，就算有ERROR V ，由图6 可知，也会透过相减器消除。
另外，若是GND 离单端信号太远，则会使回路面积变大，导致产生的EMI 干扰也跟着变大。或是GND 有不连续面，其单端信号的信号完整性也会跟着受到影
响，然而由于差动对因为其回流电流不会流过GND，因此即便GND 有不连续面，其差动对的信号完整性也不会有太大影响。
那么，如果GND 离差分信号太远，会如同单端信号一样，导致EMI干扰也跟着变大吗?
图12. 差动对的感应电流
差动对的回流电流，固然不会经过GND，但是依然会在下方的GND Plane，感
应出一个相反方向的电流回路，其感应电流的回路面积跟上方的差动对回路面积成正比，因此差分信号的间距要尽可能小，走线长度要尽可能缩短，这样差动对回路面积才会小，其下方感应电流的回路面积跟着变小，使产生的EMI 干扰降到最低。
或许有人问，那可以把下方的GND Plane 拿掉吗? 这样就不会有感应电流回路，否则一但差动对的回路面积过大，则感应电流的回路面积跟着过大，等于有两个EMI 干扰来源。答案是不行，除非有办法保证差动对的长度，可以完全等长，否则一旦差动对的长度有些许的差异，如同图11 的length 2，则会变成单端信号，而单端信号的回流电流会经过GND，若把下方的GND Plane 拿掉，那么该单端信号的回流电流，会自己绕远路，去寻找远方的GND，来形成一个回路，这样等于
答案是会，除非有办法保证差动对的长度，可以完全等长，否则会变成单端信号，如此的话，回路面积加大，其EMI 的干扰会跟着加大。是让回路面积加大，其EMI 的干扰会跟着加大。
因此，再回到13 页的问题，如果GND 离差分信号太远，其EMI 干扰会变大吗?