差模包括介于驅(qū)動(dòng)器與接收器的一對(duì)走線（或?qū)Ь€）。我們一般認(rèn)為其中一根走線傳送正信號(hào)而另一根傳送負(fù)信號(hào)，并且大小相等極性相反，沒有通過地的返回信號(hào)；信號(hào)沿一根走線前進(jìn)并從另外一根返回。
共模信號(hào)通常更難于理解。既可以包括單端走線也可以包括兩個(gè)（可能更多）差分走線。同樣的信號(hào)沿走線以及返回路徑（地）或者沿差分對(duì)中的兩根走線流動(dòng)。大部分人往往對(duì)共模信號(hào)不熟悉，因?yàn)槲覀冏约簭膩聿粫?huì)故意產(chǎn)生它們。它們通常是由從其它（鄰近或外部）源耦合進(jìn)電路的噪聲引起的。一般來講，結(jié)果最好情況是中性的，最壞情況是具有破壞性的。共模信號(hào)能夠產(chǎn)生干擾電路正常運(yùn)行的噪聲，并且是常見的EMI問題的來源。
優(yōu)點(diǎn)：差分信號(hào)相比單端信號(hào)有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)：需要兩根走線而不是一根，或者兩倍的電路板面積。但是差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
如果沒有通過地的返回信號(hào)，地回路的連續(xù)性相對(duì)就變得不重要了。因此，假如我們有一個(gè)模擬信號(hào)通過差分對(duì)連接到數(shù)字器件，就無需擔(dān)心跨越電源邊界，平面不連續(xù)等等問題。差分器件的電源分割也更容易處理2。
差分電路在低壓信號(hào)的應(yīng)用中是非常有益的。如果信號(hào)電平非常低，或者如果信噪比是個(gè)問題，那么差分信號(hào)可以有效地倍增信號(hào)電平（+v-(-v)=2v）。差分信號(hào)和差分放大器通常用于信號(hào)電平非常低的系統(tǒng)的輸入級(jí)。
差分接收器往往對(duì)輸入信號(hào)電平的差敏感，但是常常被設(shè)計(jì)為對(duì)輸入的共模偏移不敏感。因此在強(qiáng)噪聲環(huán)境中差分信號(hào)往往比單端信號(hào)有著更好的性能。
相比單端信號(hào)（以一個(gè)不太精確的受電路板其他位置的噪聲的干擾的信號(hào)為參考）差分信號(hào)（彼此互為參考）的翻轉(zhuǎn)時(shí)序可以更精確地設(shè)定。差分對(duì)的交叉點(diǎn)定義得非常精確（圖1）。單端信號(hào)位于邏輯1和邏輯0之間的交叉點(diǎn)受制于（舉例）噪聲、噪聲門限以及門限檢測問題等等。
圖1：邏輯電平在差分信號(hào)交叉點(diǎn)的精確位置改變狀態(tài)
重要假設(shè)：差分信號(hào)的一個(gè)重要方面常常被工程師或者設(shè)計(jì)人員忽略，甚至有時(shí)被誤解。我們從兩條廣為人知的規(guī)則開始：（a）電流在一個(gè)閉合的環(huán)路內(nèi)流動(dòng)以及（b）電流在環(huán)路內(nèi)處處相等。
考慮差分對(duì)的“正”走線。電流沿走線流動(dòng)并且必須在一個(gè)環(huán)路內(nèi)流動(dòng)，通常從地返回。另外一根走線中的負(fù)信號(hào)也必須在一個(gè)環(huán)路內(nèi)流動(dòng)，通常也從地返回。這很容易明白如果我們暫時(shí)想象一個(gè)差分對(duì)中的一根走線上的電流保持不變。另一根走線中的信號(hào)必須從某個(gè)地方返回 ⑶液芮宄 禱羋肪隊(duì)Ω檬塹ザ誦藕諾姆禱羋肪叮ǖ兀 Ｎ頤撬擋罘侄悅揮型ü 氐姆禱匭藕挪皇且蛭 荒埽 且蛭 禱匭藕諾娜反嬖誆⑶掖笮∠嗟惹壹 韻嚳此 韻嗷サ窒 耍ê臀 悖 ?br/>這一點(diǎn)非常重要。如果從一個(gè)信號(hào)（+i）返回的信號(hào)嚴(yán)格等于，且符號(hào)相反，另一個(gè)信號(hào)（-i），那么它們的和（+i-i）為零，沒有電流從任何地方流過（特別是地）?，F(xiàn)在假定信號(hào)并非嚴(yán)格相等且極性相反。設(shè)一個(gè)為+i1另一個(gè)為-i2。這里i1和i2的值近似但是不等。返回電流的和為(i1-i2)。因?yàn)椴皇橇?，這個(gè)增加的電流必須從某個(gè)地方返回，推測應(yīng)該是地。
你說什么？那么讓我們假定發(fā)送電路發(fā)送一對(duì)差分信號(hào)，嚴(yán)格相等且極性相反。再假定他們在路徑的終點(diǎn)仍然如此。但是如果路徑長度不等會(huì)如何呢？如果（差分對(duì)中的）一條路徑比另外一條長，那么信號(hào)在傳輸?shù)浇邮掌鞯碾A段就不再是嚴(yán)格相等且極性相反了（圖2）。如果信號(hào)在它們從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中不再是嚴(yán)格相等且相反，沒有電流流經(jīng)地就不再是正確的了。如果有流經(jīng)地的電流存在，那么電源完整性就一定成為一個(gè)問題，并且可能EMI也會(huì)成為一個(gè)問題。
圖2：(-)走線比圖1中短，在紅色箭頭所標(biāo)示出的范圍內(nèi)差分信號(hào)是大小相等且極性相反不再正確。從而在這個(gè)時(shí)間片內(nèi)將有流經(jīng)電源系統(tǒng)的電流。
設(shè)計(jì)規(guī)則1：我們處理差分信號(hào)的第一個(gè)規(guī)則是：走線必須等長。
有人激烈地反對(duì)這條規(guī)則。通常他們的爭論的基礎(chǔ)包括了信號(hào)時(shí)序。他們詳盡地指出許多差分電路可以容忍差分信號(hào)兩個(gè)部分相當(dāng)?shù)臅r(shí)序偏差而仍然能夠可靠地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。根據(jù)使用的不同的邏輯門系列，可以容忍500mil的走線長度偏差。并且這些人們能夠?qū)⑦@些情況用器件規(guī)范和信號(hào)時(shí)序圖非常詳盡地描繪出來。問題是，他們沒有抓住要點(diǎn)！差分走線必須等長的原因與信號(hào)時(shí)序幾乎沒有任何關(guān)系。與之相關(guān)的僅僅是假定差分信號(hào)是大小相等且極性相反的以及如果這個(gè)假設(shè)不成立將會(huì)發(fā)生什么。將會(huì)發(fā)生的是：不受控的地電流開始流動(dòng)，最好情況是良性的，最壞情況將導(dǎo)致嚴(yán)重的共模EMI問題。
因此，如果你依賴這樣的假定，即：差分信號(hào)是大小相等且極性相反，并且因此沒有通過地的電流，那么這個(gè)假定的一個(gè)必要推論就是差分信號(hào)對(duì)的長度必須相等。
差分信號(hào)與環(huán)路面積：如果我們的差分電路處理的信號(hào)有著較慢的上升時(shí)間，高速設(shè)計(jì)規(guī)則不是問題。但是，假設(shè)我們正在處理的信號(hào)有著有較快的上升時(shí)間，什么樣的額外的問題開始在差分線上發(fā)生呢？
考慮一個(gè)設(shè)計(jì)，一對(duì)差分線從驅(qū)動(dòng)器到接收器，跨越一個(gè)平面。同時(shí)假設(shè)走線長度完全相等，信號(hào)嚴(yán)格大小相等且極性相反。因此，沒有通過地的返回電流。但是，盡管如此，平面層上存在一個(gè)感應(yīng)電流！
任何高速信號(hào)都能夠（并且一定會(huì)）在相鄰電路（或者平面）產(chǎn)生一個(gè)耦合信號(hào)。這種機(jī)制與串?dāng)_的機(jī)制完全相同。這是由電磁耦合，互感耦合與互容耦合的綜合效果，引起的。因此，如同單端信號(hào)的返回電流傾向于在直接位于走線下方的平面上傳播，差分線也會(huì)在其下方的平面上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流。但這不是返回電流。所有的返回電流已經(jīng)抵消了。因此，這純粹是平面上的耦合噪聲。問題是，如果電流必須在一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)，剩下來的電流到哪里去了呢？
記住，我們有兩根走線，其信號(hào)大小相等極性相反。其中一根走線在平面一個(gè)方向上耦合了一個(gè)信號(hào)，另一根在平面另一個(gè)方向上耦合了一個(gè)信號(hào)。平面上這兩個(gè)耦合電流大小相等（假設(shè)其它方面設(shè)計(jì)得很好）。因此電流完全在差分走線下方的一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)（圖3）。它們看上去就像是渦流。耦合電流在其中流動(dòng)的環(huán)路由（a）差分線自身和（b）走線在每個(gè)端點(diǎn)之間的間隔來定義。
圖3：即使差分信號(hào)嚴(yán)格大小相等且極性相反，因而沒有流經(jīng)電源系統(tǒng)的返回電流，仍然在走線下方的平面中存在在一個(gè)環(huán)路中流動(dòng)的感應(yīng)電流。
設(shè)計(jì)規(guī)則2：現(xiàn)在EMI與環(huán)路面積已是廣為人知了3。因此如果我們想控制EMI，就需要將環(huán)路面積最小化。并且做到這一點(diǎn)的方法引出了我們的第二條設(shè)計(jì)規(guī)則：將差分線彼此靠近布線。有人反對(duì)這條規(guī)則，事實(shí)上這條規(guī)則在上升時(shí)間較慢并且EMI不是問題時(shí)并不是必須的。但是在高速環(huán)境中，差分線彼此靠得越近布線，走線下方所感應(yīng)的電流的環(huán)路就越小，EMI也可以得到更好的控制。
值得一提的是一些工程師要求設(shè)計(jì)人員去掉差分線下方的平面。原因之一是減小或消除走線下方的感應(yīng)電流環(huán)路。另外一個(gè)原因是防止平面上已有的噪聲耦合到（推測如此）走線上的低壓信號(hào)4。
還有一個(gè)將差分線彼此靠近布線的理由。差分接收器設(shè)計(jì)為對(duì)輸入信號(hào)的差敏感而對(duì)輸入的共模偏移不敏感。也就是說即使（+）輸入相對(duì)（-）輸入僅有輕微的偏移，接收器也會(huì)檢測到。但是如果（+）和（-）輸入一起偏移（在同樣的方向），相對(duì)而言接收器對(duì)這種偏移不敏感。因此如果任何外部噪聲（比如EMI或串?dāng)_）等同地耦合到差分線中，接收器將對(duì)此種（共模耦合）噪聲不敏感。差分線布得越彼此靠近，任何偶合噪聲在每根走線上就越相近。因此電路的噪聲抑制就越好。
規(guī)則2推論：再次假定高速環(huán)境中，如果差分線彼此緊挨著布線（為了使其下方的環(huán)路面積最小化）那么走線將彼此耦合。如果走線足夠長以至于端接成為一個(gè)問題，這種耦合就會(huì)影響到確切的端接阻抗5的計(jì)算。原因是：
考慮一個(gè)差分線對(duì)，線1和線2。假使它們分別攜帶信號(hào)V1和V2。因?yàn)樗鼈兪遣罘志€，V2=V1。V1在線1引起一個(gè)電流I1而V2在線2引起一個(gè)電流I2。電流必然是從歐姆定律導(dǎo)出，I=V/Z0，這里Z0是走線的特征阻抗?，F(xiàn)在線1（舉例）攜帶的電流事實(shí)上由i1和k*i2組成，這里k是線1與線2間的耦合比例。這表明這種耦合的最終效果是線1上的一個(gè)明顯的阻抗，這個(gè)阻抗等于
Z=Z0-Z12
這里Z12由線1與線2間的互耦6引起。如果線1和線2分得很開，它們之間的耦合就很小，確切的端接阻抗就只是Z0，單端走線的特征阻抗。但是如果走線靠的更近，它們之間的耦合就會(huì)增加，這樣走線的阻抗與這種耦合成比例地減小。這就是說確切的走線端接（為了防止反射）為Z0-Z12，或者某個(gè)小于Z0的值。這對(duì)差分對(duì)的兩根走線都適用。因?yàn)闆]有流經(jīng)地的電流（大概這是個(gè)假設(shè)）那么端接電阻被連接在線1和線2之間，且確切的端接阻抗算得是2(Z0-Z12)。這個(gè)值經(jīng)常被叫做“差分阻抗”7。
設(shè)計(jì)規(guī)則3：差分阻抗因互耦而變，而互耦因線距而變。因此在任何情況下，走線阻抗，也就是互耦，在全線為常數(shù)是很重要的。這就得到了我們的第三個(gè)規(guī)則：（差分對(duì)的）線距必須在全線為常數(shù)。
注意對(duì)差分阻抗的影響只是規(guī)則2的推論。差分阻抗根本不是與生俱來的。我們要把差分線彼此靠近布線與EMI和噪聲免疫有關(guān)。它對(duì)“長”線確切端接以及線距一致性的影響的事實(shí)只不過是為了EMI控制而將走線彼此靠近布線的一個(gè)推論8。
結(jié)論：差分信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它們中的三個(gè)是（a）與電源系統(tǒng)有效隔離，（b）對(duì)噪聲免疫，和（c）增強(qiáng)信噪比。與電源系統(tǒng)（特別是系統(tǒng)地）隔離依賴于差分線上的信號(hào)真正地大小相等且極性相反。這個(gè)假定也許不成立，如果差分對(duì)中單個(gè)線長不完全匹配。對(duì)噪聲的免疫經(jīng)常依賴于走線的緊耦合。這將依次影響到為防止反射而對(duì)走線進(jìn)行正確的端接的值，以及如果走線必須緊耦合，通常也是需要的，它們的間距必須全線為常數(shù)。
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