最近有一部在講半導體的電視劇”赤熱”有一段影片引起很多相關行業工程師的討論, “我們要做差分的單端電路”
這個對某些朋友可能對於”差分Differential”與”單端Single-Ended”有點熟悉但這一段話放在一起又有點陌生。
<單端Single-ended input與差分Differential inputs>
單端與差分輸入是要放在一起講，我們講一般大家熟悉的mipi
rffe, I2C, SPI, UART/RS232這種都是所謂的單端輸入，單端的概念是只需要兩條線訊號(Signal)與地線(GND)兩條線就夠了，但一般大家會忘了GND不是一條線，所以都會認為只有一條訊號線以UART來說就是TX and RX兩條獨立的”單端”傳輸。
<單端抗干擾能力 Single-ended noise immunity>
如果這時候有干擾訊號近來，接收端的訊號就會同時收到干擾訊號與主訊號，造成訊號失真或接析不了的情況，這個干擾可能是來自隔壁工作中的電路或是任何你想不到的雜訊訊號。
<差分輸入Differential Input>
差分輸入就是在單端(Single-ended)的基礎上多加了一路”反相訊號TX-)，如下我們用一個比較容易理解的架構表示，兩路訊號最後透過Balun (or Transformer)合併在一起，Balun的功用就是把兩端的訊號相減，如果訊號本身相等相減起來就為零，一般來說會用運算放大器的差分輸入[1][2][3]不會再特別用Balun, 這裡只是方便大家理解。
<差分輸入抗干擾能力Differential inputs noise immunity>
差分訊號跟單端輸入本質上就是差了一條訊號，既然一條線能夠傳完成的事情為什麼要特別搞兩條線呢？當然設計這個的工程師又不是傻子，肯定有他的好處，我們在把單端的干擾訊號加進來，這裡假設干擾訊號是一起落在TX+與TX-上面，因為差分輸入的試看兩個訊號的差值，所以一樣的訊號差值為零，因為很重要在講一次：
ΔVin = ( noise + TX+
) – ( noise + TX- )
ΔVin = (TX+) – (TX-)
所以現在高速的傳輸介面幾乎都是差分訊號，例如USB3.0 [4]或AI題材的NV-Link都是採用差分方案來抵抗”共模雜訊”,
共模的意思就是差分訊號對上的雜訊(Signal
Pair)上面是相等的情況。
<差分的單端電路Differential Singl-ended>
回到這個文章的主軸，所以大家有單端電路與差分電路的概念，那什麼叫做”差分的單端電路”，從字面上解釋這個電路是單端電路但又有差分的特性？很饒舌對不對，我們一下傳統運算放大器除了單端輸入, 差分輸入還有一個在兩者之間的偽差分(Pseudo-Differential
Input)，可以參考[2]或[5]的文章，說實在都說是”偽”肯定跟真的有區別，基本上我覺得就是差分與單端電路要連接的一種折衷方案，基本特性還是維持單端電路。
或許編劇是想成以下的狀況，單端的器件加上差分的輸入轉換器(Balun or Transformer)也算是符合”差分的單端電路” XD
好了今天就藉著這部”赤熱”間單介紹一下什麼是單端什麼是差分電路，還有為什麼要特別繞一圈搞差分電路？其實類似的電路還射頻電路功率合併除了同相與差分外還有相差90度的平衡輸入，有興趣的可以參考這篇文章[6]
手機功率放大器功率合併的方法Smart
Phone Power Amplifier Power Combination Method and Architecture與下圖與[7] mini circuit blog, RF Transformer
Fundamental 這文章，現在射頻功率放大器經常使用差分架構[7]，從某些角度也可以說成:
1.
差分的單端電路
2.
單端的差分電路
<參考文獻>
[1] SAR ADC Input Types, Analog Device Technical
Articles
https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/sar-adc-input-types.html
[2] Noise Suppression Basic Course Section 1
Chapter 5 Conductor conduction and common mode
https://www.murata.com/en-global/products/emc/emifil/library/knowhow/basic/chapter05-p1
[3] 差分，單端是什麼鬼？？？, EET-China
https://www.eet-china.com/mp/a195026.html
[4] Rising to the USB 3.0 challenge: smart design
achieves high-speed signal integrity
[5] ADS1299: Unipolar/Bipolar Supply for
Differential/Single-Ended Inputs
[6] 手機功率放大器功率合併的方法Smart Phone Power Amplifier Power Combination Method and Architecture - MacGyFu的文章 - 知乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/639056460
[7] RF Transformer Fundamentals - Mini-Circuits
Blog
https://blog.minicircuits.com/application-note-on-transformers-an-20-002/
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