单端信令
单端信令是将电信号从
发送器传输到接收器的简单且常见的方式。电信号通过电压（通常是变化的电压）传输，该电压以固定电位为参考，通常是称为“地”的 0 V 节点。
一根导体承载信号，一根导体承载公共参考电位。与信号相关的电流从发送器传输到接收器，并通过接地连接返回到
电源。如果传输多个信号，则电路将需要每个信号一根
导线以及一个共享接地连接；因此，例如，可以使用 17 个导体传输 16 个信号。
单端拓扑
差分信号
差分信号比单端信号不太常见，它采用两个互补的电压信号来传输一个信息信号。所以一个信息信号需要一对导体；一个承载信号，另一个承载反相信号。
接收器通过检测反相信号和非反相信号之间的电位差来提取信息。这两个电压信号是“平衡的”，这意味着它们相对于共模电压具有相等的幅度和相反的极性。与这些电压相关的返回电流也是平衡的，因此相互抵消；因此，我们可以说差分信号流过接地连接的电流（理想情况下）为零。
对于差分信号，发送器和接收器不一定共享公共接地参考。然而，使用差分信号并不意味着发送器和接收器之间的地电位差异对电路的操作没有影响。
如果传输多个信号，则每个信号都需要两个导体，并且即使所有信号都是差分的，通常也需要或至少有利的是包括接地连接。因此，例如，传输 16 个信号将需要 33 个导线（相比之下，单端传输需要 17 个导线）。这表明差分信号的明显缺点。
差分信号拓扑
差分信号的优点
然而，差分信号有一些重要的好处，它不仅仅可以补偿增加的导体数量。
无返回电流
由于我们（理想情况下）没有返回电流，因此接地参考变得不那么重要。发送器和接收器处的接地电位甚至可能不同，或者在某个可接受的范围内移动。但是，您需要小心，因为直流耦合差分信号（例如 USB、RS-485、CAN）通常需要共享接地电位，以确保信号保持在接口允许的和共模电压范围内。
抵抗传入的 EMI 和串扰
如果从差分导体外部引入EMI（电磁干扰）或串扰（即附近信号产生的EMI），则它会同等地添加到反相和非反相信号中。接收器响应两个信号之间的电压差，而不是响应单端（即，接地参考）电压，因此接收器电路将大大降低干扰或串扰的幅度。
这就是差分信号对 EMI、串扰或耦合到差分对的两个信号中的任何其他噪声不太敏感的原因。
减少输出 EMI 和串扰
快速转换（例如数字信号的上升沿和下降沿）会产生大量的 EMI。单端和差分信号都会产生 EMI，但差分对中的两个信号将产生（理想情况下）幅度相等但极性相反的电磁场。这与保持两个导体之间紧密接近的技术（例如使用
双绞线电缆）相结合，可确保两个导体的发射在很大程度上相互抵消。
较低电压运行
单端信号必须保持相对较高的电压，以确保足够的信噪比（SNR）。常见的单端接口电压为 3.3 V 和 5 V。由于差分信号的抗噪声能力得到改善，因此可以使用较低的电压，并且仍然保持足够的 SNR。此外，相对于等效的单端实现，差分信号的 SNR 自动增加两倍，因为差分接收器的动态范围是差分对内每个信号的动态范围的两倍。
使用较低信号电压成功传输数据的能力具有一些重要的优势：
可以使用较低的电源电压。
更小的电压转换
减少辐射 EMI，
降低功耗，以及
允许更高的工作频率。
高或低状态和定时
您是否想知道我们究竟如何确定信号处于逻辑高状态还是逻辑低状态？在单端系统中，我们必须考虑电源电压、接收器电路的阈值特性，或许还有参考电压的值。当然，存在变化和容差，这给逻辑高或逻辑低问题带来了额外的不确定性。
在差分信号中，确定逻辑状态更加简单。如果非反相信号的电压高于反相信号的电压，则逻辑高。如果非反相电压低于反相电压，则逻辑低。两种状态之间的转变是非反相信号和反相信号相交的点，即交叉点。
这就是为什么匹配承载差分信号的电线或走线的长度很重要的原因之一：为了获得的计时精度，您希望交叉点与逻辑转换完全对应，但是当该对中的两个导体不相等时长度，传播延迟的差异将导致交叉点移动。
显然，差分信号的理论优势已被无数现实应用中的实际使用所证实。
差分走线布线的基本 PCB 技术
，让我们了解如何在 PCB 上布线差分走线的基础知识。路由差分信号可能有点复杂，但有一些基本规则可以使该过程更加简单。
长度和长度匹配——保持相等！
差分信号（理想情况下）幅度相等，极性相反。因此，在理想情况下，没有净返回电流会流过地。没有返回电流是一件好事，因此我们希望一切都尽可能理想，这意味着差分对中的两条走线需要相等的长度。
信号的上升/下降时间越长（不要与信号的频率混淆），您就越需要确保走线具有相同的长度。您的布局程序可能包含一项功能，可帮助您微调差分对的走线长度。如果您难以达到相等的长度，可以使用“曲折”技术。
宽度和间距——保持恒定！
差分导体越靠近，信号的耦合就越好。生成的 EMI 将更有效地抵消，而接收到的 EMI 将更均匀地耦合到两个信号中。因此，请尝试让它们真正靠近。
差分对导线的布线应尽可能远离邻近信号，以避免干扰。走线的宽度和间距应根据目标阻抗进行选择，并且在走线的整个长度上应保持恒定。因此，如果可能的话，走线在 PCB 上行进时应保持平行。
阻抗——化变化！
设计具有差分信号的 PCB 时重要的事情之一是找出应用的目标阻抗，然后相应地布置差分对。另外，保持阻抗变化尽可能小。
差分线的阻抗取决于走线宽度、走线耦合、铜厚度以及 PCB 材料和层堆叠等因素。当您尝试避免任何改变差分对阻抗的事情时，请考虑其中的每一个。
不要在平面层上的铜区域之间的间隙上路由高速信号，因为这也会影响您的阻抗。尽量避免地平面出现不连续性。
但并非不重要的一点是，在布线差分走线时，您必须做一件非常重要的事情：获取发送或接收差分信号的芯片的数据表和/或应用说明，通读布局建议并分析他们密切。这样您就可以在特定设计的限制内实现布局。
结论
差分信号使我们能够以更低的电压、良好的信噪比、更高的抗噪声能力和更高的数据速率传输信息。另一方面，导体数量增加，系统将需要专门的发射器和接收器，而不是标准数字 IC。
如今，差分信号已成为许多标准的一部分，包括 LVDS、USB、CAN、RS-485 和以太网，因此我们都应该（至少）熟悉这项技术。如果您实际上正在设计具有差分信号的 PCB，请记住查阅相关数据表和应用笔记.
