差分信号的测量方法

王征宇，章少云

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；2.日松微电子有限公司，江苏 无锡 214072）

1 引言

计算机、通信、消费类电子工业的快速发展推动着越来越多的信号协议由单端拓扑结构转向差分拓扑结构，而差分信号的结构特点要求对应的测试测量单元也必须是差分拓扑，由此形成了多种多样的测试手段。本文简述了工程技术领域对差分信号进行测量的几种主要测试方法，并着重介绍了其中一种较为简单实用的测试方法及其应用。

2 差分信号

2.1 差分信号的描述

从严格意义上讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能相对于另一个电压而言。在某些系统里，系统“地”被用作电压基准点。当“地”作为电压测量基准时，这种信号规划被称为单端的，使用该术语是因信号采用单个导体上的电压来表示，当信号分别作用在两个导体上，将两个导体之间的电压差异以一个数值来表示时，这种信号则被称为差分信号。

2.2 差分信号的优点

差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在四个方面：易识别小信号、抗电磁干扰、信号处理精确、时序定位精确。

2.2.1 易识别小信号

因为可以控制“基准”电压，所以很容易识别小信号。在一个“地”做基准、单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统内“地”的一致性。信号源和信号接收器距离越远，它们局部“地”的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与“地”的精确值无关，而在某一范围内。

2.2.2 抗电磁干扰

它对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合得越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。

2.2.3 信号处理精确

在一个单电源系统，能够从容精确地处理“双极”信号。为了处理单端、单电源系统的双极信号，必须在“地”和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个“虚地”。用高于“虚地”的电压来表示正极信号，低于“虚地”的电压来表示负极信号。接下来，必须把“虚地”正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个“虚地”，这就使处理和传播双极信号有一个高逼真度，而无须依赖虚地的稳定性。

2.2.4 时序定位精确

由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺、温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

3 差分信号的测量方法

由于差分信号本身所具有的特殊性，对它的测量也相应异于普通的单端信号。目前工程技术领域中主流测试方法有如下几种：

3.1 差分探头

通常测量时使用的是有源差分探头，探头的前端有一个高带宽、需要供电的放大器，这样可以提供比较高的输入阻抗以及更高的带宽。与单端探头相比，差分探头具有更高的共模抑制比，当存在很大的共模噪音时，无疑用差分探头来测量将更为精确；此外，由于差分探头的两个输入端都不存在接地的问题，两路输入信号的差分运算在探头前端放大器完成，传输到示波器通道的信号是已差分后的电压，示波器无需去掉三线插头的接地端即可实现安全的浮地测量，这样就避免了切断标准三头AC插座地线或使用一个交流隔离变压器进行浮地测量时，有可能产生的仪器和被测器件损坏，甚至人身伤害。Tektronix、Agilent等公司都有适用于测量各种类型差分信号的差分探头。但相对而言，差分探头价格较贵，使用不大方便，不便于在狭窄的区域内进行探测或用多个探头连接非常近的多个测试点，而且带宽也较窄。

3.2 隔离输入示波器

与常规示波器相比，隔离输入示波器具有二或四通道隔离浮动或差分安全测试能力，使用电池电源或是通过交流电源适配器连接到交流电源，使示波器的输入始终是浮动的。“浮动”参考接地的示波器是通过使接地系统无效或使用隔离变压器，将“信号公共线”从地面断开，使示波器保护性接地系统无效的一种技术。在当今使用的宽带示波器系统中，最常用的隔离方法是双路方法，将输入信号分为两个信号：低频和高频。该方法需要每个输入通道都具有昂贵的光耦合器和宽带线性变压器。另外还有一种创新的IsolatedChannel技术，取消了双路方法，而对每个从直流到示波器带宽的输入通道仅使用一个宽带信号通路。这项技术使隔离通道输入体系结构向“正”输入和“负基准”导线（包括外部触发输入）提供了真实且完整的通道间隔离，把寄生效应的影响降到最低。Tektronix的TPS2000系列多功能数字隔离示波器就是这样一款采用IsolatedChannel技术、具有四个独立隔离通道并使用电池供电的数字隔离示波器。

3.3 带差分信号测量单元的测试系统

为满足多种测试需求，某些测试系统也同样配备了差分信号测量单元，具备差分信号测量能力。如Agilent 93000 Pin Scale系统上的每个PIN脚都提供了单端和差分I/O测试功能，适于被测器件的自动、大批量生产测试。

3.4 其他简单的测量方法

3.4.1 “准差分方式”

很多示波器都能够用内置的功能进行最简单的差分测量。这种方式叫做“chanel A－chanel B”（通道A减通道B）方式或者“准差分”方式。虽然性能上受到限制，这项技术还是适合一些测量需求的。为了进行差分测量，要使用两个垂直通道，一个用于正输入，一个用于负输入。用于负输入的通道被设置成反转方式，显示方式则设置为“ADD Channel A + Channel B”（通道A加通道B）。为了正常工作，两个输入必须设定在相同的标度系数，两个输入探头也必须是同型号的，在显示器上出现的就是两个输入端的差电压。

3.4.2 差分输入转单端

常用的方法是采用由集成运放外加反馈网络所构成的减法运算电路来实现差分输入转单端输出，从而便于进行差分信号的相关分析。

4 用差分放大电路测量差分信号的应用实例

在实际工作中，由于硬件资源有限，测试系统不具备差分信号测量能力，而又需要对以差分信号形式作为输出的器件进行自动化测试时，采用差分放大电路通过将差分信号转为单端信号，再用自动测试系统对其进行信号的采集、分析、测试，在一定意义上可以基本满足此类器件的测试需要。

以四运放集成电路LM324为例说明应用此类电路测量差分信号的方法。LM324内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。引脚排列见图2。主要参数见表1。

使用LM324进行差分信号的测量时，可按实际需要适当选取反馈网络的电阻值，以取得适用于测量分析的单端信号。此处采用的反馈网络放大比例为1:1，即Vo=Vs2-Vs1。电路图见图3。

图1 内部独立的运放示意图

图2 LM324功能引脚图

表1 主要参数

图3 用LM324将差分信号转为单端信号的应用实例

图4和图5分别为转换前的差分信号和转换后的单端信号。

这样就能够在LM324的OUT1脚得到接近差分输入信号（Vs2-Vs1）的较为近似的单端信号了，然后可以方便地用自动测试系统采集该信号，通过对抓取到的信号进行失真度、信噪比等参数的测试，可基本做到对原差分信号的等效评估。此方法虽然因受限于运放本身的参数性能，无法对待测差分信号进行十分精确的测量，但在测试资源有限的条件下更为经济、便捷，且简单、实用。

图4 转换前的差分输入信号

图5 转换后的单端输出信号

5 结束语

差分信号在工程技术领域的使用极其广泛，对其进行测量的手段也多种多样。本文介绍了测量差分信号的几种主要方法，并着重介绍了其中一种较为简单实用的测试方法及其应用实例，便于在测试资源有限的条件下实现更为经济实用的测量。

[1]Neamen,D A.电子电路分析与设计——模拟电子技术[M].清华大学出版社，2009.118-167.

[2]蔡国发，章杰，等.差分对信号完整性分析[J].电子测量技术，2012，（01）：33-36.