单端信号与差分信号对比

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。

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。

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：

抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时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。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。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

一、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，单端信号是在一根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。

二、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，这样信号质量不就高了吗？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，你就可以考虑拉，为啥呢，两根导线是平行传输的， 每根导线上产生的感应电动势不是一样吗，两个一减，他不就没了吗～ 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。

三、使用时需要注意

由于差分比单端有不少好处，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吃光。所以实际上，都是用仪表运放进行放大后，再进行处理。而仪表运方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。你传输0.1V的信号没问题，但是如果一根是 1000.0 另外一根是 1000.1，那就不好玩了，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，更不能把差分信号中的一根直接接在本地系统的地上，那不白费劲吗 —— 又成单端了，那么如何抑制共模电压呢？

其实也挺简单的，将两根线都通过一个足够大的电阻，连接到系统的地上。这就像一根拴在风筝上的线，我在地上跑跑跳跳，不会影响风筝的高度 但是你永远逃不出我的视线，而我的视线，在电子行业，叫共模电压范围。最后，回答一个网友的问题：单端转差分怎么转。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，常见的用仪表运方+普通运方搭建的单端转差分是个很好的例子。

对差分认识常见误区

认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。造成这种误区的原因是被表面现象迷惑，或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径，其实在信号回流分析上，差分走线和普通的单端走线的机理是一致的，即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流，最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外，还存在相互之间的耦合，哪一种耦合强，那一种就成为主要的回流通路。在PCB电路设计中，一般差分走线之间的耦合较小，往往只占 10~20%的耦合度，更多的还是对地的耦合，所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路，尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加 EMI，要尽量避免。也有些设计人员认为，可以去掉差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的部分共模信号，但从理论上看这种做法是不可取的，阻抗如何控制？不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成 EMI 辐射，这种做法弊大于利。认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中，往往不能同时满足差分设计的要求。由于管脚分布，过孔以及走线空间等因素存在，必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的，但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行。PCB 差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长，其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。认为差分走线一定要靠得很近。让差分走线靠近无非是为了增强他们的耦合，既可以提高对噪声的免疫力，还能充分利用磁场的相反极性来抵消对外界的电磁干扰。虽说这种做法在大多数情况下是非常有利的，但不是绝对的，如果能保证让它们得到充分的屏蔽，不受外界干扰，那么我们也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制 EMI 的目的了。如何才能保证差分走线具有良好的隔离和屏蔽呢？增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一，电磁场能量是随着距离呈平方关系递减的，一般线间距超过4 倍线宽时，它们之间的干扰就极其微弱了，基本可以忽略。此外，通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用，这种结构在高频的（10G 以上）IC封装PCB 设计中经常会被采用，被称为CPW结构，可以保证严格的差分阻抗控制。差分走线也可以走在不同的信号层中，但一般不建议这种走法，因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果，引入共模噪声。此外，如果相邻两层耦合不够紧密的话，会降低差分走线抵抗噪声的能力，但如果能保持和周围走线适当的间距，串扰就不是个问题。在一般频率（GHz 以下），EMI 也不会是很严重的问题，实验表明，相距 500Mils 的差分走线，在3 米之外的辐射能量衰减已经达到 60dB，足以满足 FCC的电磁辐射标准，所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。差分曼切斯特编码并不是差分信号的一种，它指的是用在每一位开始时的电平跳变来表示逻辑状态“0”，不跳变来表示逻辑状态“1”。但每一位中间的跳变是用来做同步时钟，没有逻辑意义。双绞线上面走的不一定是差分信号，单端信号在双绞线上的电磁辐射也比平行走线的辐射小。

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基于差分信号调理芯片JHM1101的变送电路设计

JHM1101是一款针对差分电阻桥式或半桥式传感器信号设计的高精度模数转换器，可通过单线接口提供数字或模拟的测量输出信号，为传感器提供便捷、准确的测量结果。该芯片提供模拟和数字型输出方式，比如rail-to-rail输出，0~1V输出，数字信号输出、PWM输出。在工业类应用中，4~20mA型的电流是最常用的输出方式，对此本文描述了应用JHM1101实现此电流输出的方法及参考设计。

1 电路结构设计：

基于JHM1101的4～20mA输出变送电路如图1所示，其中U2就是JHM1101芯片，直接与传感器（Sensor）连接。在保证SENSOR、U1、U2总工作电流不超过3.5mA的前提下，通过这个V/I电路可以实现将电压型校准输出转变成4~20mA的电流型输出。为了将输出电流控制得比较小，电阻RDD和ROUT的阻值需要是10:1的比例关系，并且RDD的阻值应该在MΩ级别。U1建议选用5V低功耗rail-to-rail型的仪表放大器，如OPA337。稳压二极管ZD2在VDD端提供电压保护。Q2是一个N沟道的JFET管，用于将电源电压稳定到5V，型号建议选择MMBF4393。Q1是NPN型的三极管，选型时需要考虑它承受的耐压值与功率，建议选择BCX56。

由于此电路采用了后端电流温度补偿方法，所以RE、RSENS、ROUT、RBACK、RDD阻值精度在1%以内，温漂在100PPM以内就可以了。在更高的精度及温漂要求下，可以提高这几个元件的精度。

2 滤波网络设计

为确保输入信号尽可能没有噪声，在传感器输出与JHM1101输入引脚间放置一个低通滤波网络，如图2所示。

图2 低通滤波网络原理图

此输入滤波器同时具有共模组件和差模组件。由于传感器电压信号是一个直流信号，为减弱任何可能出现的交流噪声，这个低通滤波器的截止频率可以设置为一个非常低的值。

将此差模滤波器的截止频率设定为fC_DIFF=40HZ可以有效地消减全部差模交流噪声。共模滤波器的截止频率应至少设定为十倍频，以避免将共模噪声（如50HZ噪声）转换为JHM1101差分输入信号。这里假设使用陶瓷芯体，其桥阻一般为10 KΩ左右，这里RB取值为10KΩ。根据所需要的差模滤波器截止频率，只须v计算出R6和C5的数值，因为C6共模滤波电容为C5的十倍。

在这里C5取一个电容器的常用值10nF，通过下面的公式算出R6的数值：

将C5=10nF和fC_DIFF=23HZ代入上面公式，得出R6的理想值为：

R0=18.94KΩ

R6= R7= R0- RB=8.94KΩ

通过这个理想值，选择10KΩ这个常用电阻作为标准值，使用R6=10KΩ和C5=10nF滤波器的最终截止频率为：

fC_DIFF=37.89HZ

fC_CM=1591HZ

在大多数应用时，低通滤波截止频率不需要十分精确。所以C5、C6、C7电容值达到10%的精度，R6、R7电阻值达到1%的精度就可以了。在要求很高精度的应用中，比如需要更精确的低通滤波截止频率，可以提高这几个元件的精度。

3 外部保护电路

为了确保模块在操作人员的误操作和极端恶劣的环境下不损坏，在模块的电流出入端增加了外部的保护电路，如图3所示。

图3 外部的保护电路

两个高压低容量电容C1、C2提供一个高频干扰对大地的通道，还可抑制分布电容的影响。两个磁珠F1、F2在临界交流频率时，呈高阻抗，并且提供一个低直流电阻。C1、C2、F1、F2相互配合，可提供EMI的保护。

一个肖特基二极管D1和一个双向TVS二极管提供ESD、EFT和浪涌保护。BAS170WS保证在电源连接极性相反时，不会有电流经过电流环路。这个肖特基二极管针对电压在70V以内的极性保护。这个模块电流环路设计的最高电压是30V，所以ZD1选用一个击穿电压稍高于30V的双向TVS管。选择ZD1时还需注意，它的漏电电流不应超过5uA，否则会对电流的输出结果产生影响。

电路的入口处的电容C3为去耦电容，这个电容可以保证在长线的感性负载下，电路不震荡。

电容C1、C2 需要有一个高耐压值和小电容值，这里选择耐压值为1KV，电容量为10nF的贴片电容。磁珠F1、F2需要有一个在高频时的较高电阻和直流的低阻值，这里选择MMZ1608Y152B磁珠。TVS二极管ZD1需要选择击穿电压稍高于30V,又能经受大电流瞬间冲击，和1nS以内响应速度，这里选择SMBJ30CA。C3的选择主要考虑耐压值及电容值，这里选择耐压值50V，电容值为100nF的贴片电容。

4 电路校准原理 实际电路电阻的阻值总是存在着误差，因此第2节中的电流与电压的关系式就构成如下关系式：

第一、由第二节中的公式，根据电流输出，计算出2个理论的电压输出百分比值；

第二、控制JHM1101的DAC输出，使之输出相应的百分比对应电压；

第三、采集对应的两个电路电源端实际电流；

代入公式，计算出电流输出实际应该对应的电压输出；

第六、将实际电压输出百分比作为电桥输出期望值，再进行传感器的校准操作。

5 电流温度补偿原理

在实验过程中，即使RSENS、ROUT、RBACK、RDD这四个电阻精度达到0.1%，温度系数达到10PPM以内，使用普通前端补偿方法校准出的电流输出信号依然温漂很大。这是因为电流输出的温度漂移和RSENS、ROUT、RBACK、RDD的温度系数及JHM1101内部R_trim的校准精度都有关系，使得难以补偿出全温区温漂达到0.5%以内的变送器，现在使用电流温度补偿方法可以很好地解决这种问题。

电流温度补偿方法比较简单分成以下四步实现：

第一、在常温下，校准出4～20mA信号，得到Gain_B和Offset_B两个参数。

第二、将4～20mA的电流信号变换成百分比数据。

第三、采集低温和高温的电流信号，并变换成百分比数据。

第四、通过校准算法计算出TC_g、TC_o、SOT等参数，完成温度甚至二阶补偿。

6 PCB电路板设计 这个设计可以采用圆形双层PCB，直径为20mm，如图4所示。这个尺寸的PCB在变送器设计中很常见，稍加改动就可以轻松实现实际应用。由于PCB尺寸较小所以元件的放置就比较紧密，JHM1101由于可能使用内部温度传感器所以和测温二极管及低通滤波元件放置于底层，也就是最靠近Sensor的位置。V/I转换及外部保护元件则放置于顶层。PCB板实物如图5所示。

为了防止浪涌带来的电磁干扰，接地电容C1、C2和ZD1贴近电流出入口P2放置。Sensor信号到低通滤波器和JHM1101输入脚的走线尽量做到最短，避免模拟信号的连线引入噪声。调试口连线需远离模拟信号，防止串扰。去耦电容C4、C8放置在非常靠近相关电源引脚的位置上。双面大面积覆铜提供非常低的对地阻抗，必要时可增加过孔连接双侧的覆铜，可以减小电流流过单个过孔时产生的电磁干扰。

Q1的内部功耗产生的热量会导致环境温度变化，这个温度变化会导致RSENS、ROUT、RBACK、RDD的阻值和JHM1101精度发生变化，所以Q1摆放尽可能远离RSENS、ROUT、RBACK、RDD和JHM1101。在图5PCB布局布线图中可以发现，Q1除远离对温度敏感元件摆放外，在它们之间还开了热隔离槽，尽可能的降低Q1发热对模块精度的影响。

7 测试结果

至此基于JHM1101的4～20mA输出变送电路设计完成。还需要说明的是供电电压与负载关系，如图6所示，以及电路上电的稳定时间，如图7所示。

图6供电电压与负载电阻关系图

由此设计可得出较为理想的测试数据，以下为使用陶瓷压阻芯体，在25℃下校准后，在25℃和85℃下的测试数据，提供给大家参考。

经过测试，在25~85℃温区内，搭配陶瓷压阻芯体，此电路可以达到1%FS以内的精度，符合设计要求。

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