为什么在单端传输和差分传输之间会产生连接器性能差异

我们的网站提供有关板对板连接器和FPC/FFC 连接器支持的数据速率的信息。

两者100的定义都基于“如果你在单端使用它呢?”，但有时我们会收到公司内外的问题。有关详细信息，我们将在确认情况后做出回应，但不幸的是，大多数情况下答案是“至少不能期望相同的性能・・・・”。

首先，关于标题“单端和差分传输的连接器性能差异”，造成差异的主要原因是单端这是因为它更多地依赖于周围的“安装金属”，例如作为屏蔽层和其他连接器引脚。

近年来，尤其是从EMC角度来看，差分传输已成为电路板内高速传输通信的主流。这并不意味着对单端传输的高速传输连接的需求已经消失。另一方面，差分传输和单端传输需要不同的方法来构建高质量的传输线。市场上继续使用许多用于单端传输的同轴连接器/电缆，我们还推出了一种具有非同轴结构但实现高速单端传输的连接器作为车载同轴摄像头解决方案。

然而，颜色与用于高速差分传输的连接器略有不同。在这个时候，我想解释为什么连接器中会出现这种差异，因为差分传输和单端传输的特点尽可能“可以被视为图像”。

什么是“单端传输”“差分传输”“共模传输”?

三种传输模式

传输线上的信号传输模式大致有三种类型，每种模式都有不同的名称。表 1 总结了结果。另请参阅我们的术语表，其中解释了差分信号。

	普通2芯传输 （单端）	差动传输	共模
主要称呼和组合	不平衡	平衡	―
	不平衡	平衡	―
	单端传输	差动传输	共模传输
	单端传输	差分	共模
	―	死模	偶数模式

表1 3种传输模式

每个是什么样的?以发送以下信号为例进行说明。

① 普通双芯传输/单端

图1普通双芯传输/单端

这是最简单的传输模式。这是一种将信号电压施加到信号线的方法，作为参考0V线 (地/GND) 。输出信号是来自出口信号线参考的电位差。在通过信号线的过程中，如果没有受到来自外部的不良影响或劣化的话，在出口可以取出放入的信号。

② 差动传输

图2差分传输

下一个是差分传输。除了传输 (1) 之外，还添加了线路=信号线 (2)，其应用要发送的反转信号。这个理由、优点等稍后在另一项说明。在出口侧，正信号和反信号之间的“差分”被恢复到原始信号，因此称为差分传输。此外，即使没有提供作为参考的GND线，也可以建立传输。

③ 共模传输

图3共模传输

最后是共模传输。与差分相反，这是一种在两条线路上发送同相信号的方法。该方法不单独用于传输。相反，它经常被视为噪声源。在信号传输方面，它可以很容易地与输出侧的差分信号分离，因此有时也用作差分传输时的辅助信号传输。
易分离的意思是，在输出端进行加法时，差分信号消失，共模信号加倍；反之，进行减法时，共模信号消失，差分信号加倍。因此，它被用作发送可在出口侧分离的多个不同信号的方法。共模信号通常比同时发送的差分信号慢得多。

每个模式的粗略组成如上所述，但每个功能，特别是优点是什么?在三种传输模式中，(3) 的公共模式不是主流传输方法，也可以被视为单端子流，因此我将重点介绍单端传输和差分传输。在继续之前，普通单端传输和差分传输的图像比较再次如图4所示。

图4单端传输和差分传输的图像比较

“单端传输”和“差分传输”的优缺点

通过简单的单端和差分传输增加连接数量

首先，我认为这将是单端传输的优点，但由于信号简单的传输路径配置，它们的连接也很简单。如果您在上一节中以稍微三维的方式绘制图形，则会出现图5。

图5 1通道时的比较

然而，由于存在差分传输不需要 GND 平面的情况，因此这似乎没有太大优势。
那么发送多个信号怎么样？图6是四个信号同时发送时的示意图。 GND 也可用于单端或差分传输。实际上，在这两种情况下，有时会在每条信号线之间插入 GND 线以防止串扰，但这里省略了。

图6多通道时的比较

图6中的比较表明，与差分传输相比，单端传输大大简化，相反，差分传输“需要大量额外的线路”。这是单端传输的巨大优点，差分传输的缺点。因此，单端传输是主流，特别是对于质量不高的低速传输连接器作为传输路径。那么，即使有这样的缺点，为什么要使用差分传输，特别是在高速传输连接器中?

为什么在高速传输中使用差分传输?

抗噪声差分传输

此外，让我们在图7中获得更多技术图像。噪声发生，特别是当信号改变时。此时产生的噪声取决于“如何改变”。在差分信号中，相邻线的信号以完全相反的行为变化，因此从每个信号中产生“恰好相反”的噪声。因此，虽然它不完美，但由于噪声“相当”地相互抵消，因此与单端相比，差分传输“难以产生噪声”。

图7差分传输和噪声的产生

在这里，我将有一些琐碎的故事。在2001年左右，有一种方法被提出可以实现具有少量线路的低成本设备，例如单端，同时具有上述差异的低EMI和低排放的优点“在某种程度上” (如果您有兴趣请搜索“JAZiO”) 。作为一个粗略的形象，“对于多条信号线，反转信号的总和在另一条线上一起发送”。简单图示如图8所示。

图8 JAZiO的概念概述

当然，这种方法满足“从远处看零”的要求。由于信号线和消除线之间存在物理距离，即使它不像纯差异那么大，也可能具有“某种程度”的低排放特性。然而，随着差分传输在高速信号中占据主导地位，我们从未听说过这种方法应用于实际设备的故事。也许其中一个原因是这种方法不能期望下面描述的“接收噪声时差分传输的优点”。

接收噪声时差分传输的优点

那么，关于受到那个噪音的情况进行说明。图9是接收到外来噪声的差分信号线的示意图。在差分信号中，正信号和反转信号线被布置在相对较近的地方，主要是相邻的，因此每个都受到“类似噪声的影响”。现在，如前所述，在差分传输中，每个输出在出口处“减”。此时，“类似噪声”被预先擦除，使得难以影响信号。

图9受外来噪声影响的差动线路图像

我想很多人都注意到了，但这类似于共模传输和差分传输之间的关系。外来噪声通常攻击信号线作为共模噪声。由于差分传输具有消除这种情况的机制，因此从EMS/抗干扰性的角度来看，与单端传输相比，接收噪声的人也很强。

差分传输还有其他优点，例如通过耦合减少回程电流(可能有人认为它将是0,但如果有GND平面，它实际上会留下一点)来减少电阻损耗。另外，作为差分传输的问题，存在如何减少从180°的偏差等。这随着频率的增加而变得严重 (通过Skew和共模转换等参数评估的内容) 。

“单端传输”与“差分传输”的比较总结

表2总结了到目前为止的比较。强调有利的一方。

	单端	差动
线路/连接数	少	多
EMC耐受性	弱	强
低损耗/远距离传输 (比较)	稍微不利	稍微有利
通道内相位差管理	不需要	要

表2单端和差动的优劣点比较

接下来，我们将讨论连接器性能的差异，这是这个时代的主题，即为什么适当的传输路径结构会有所不同。这有点令人困惑，但在这里我想谈谈铁路结构，同时想象铁路周围形成的“电场”(严格地说，磁场也应该考虑在内，但我将优先考虑图像的便利性并专注于电场)。

“单端传输”和“差动传输”在传输路径结构上产生差异的原因

电场和电力线，电荷和电流

首先请允许我说明电场是什么。这将是一个优先考虑简单理解而不是准确的解释，所以我认为你可以跳过那些在大学学习电磁学的人。

首先定义电荷。平面地说，它就像电能，如果你熟悉它就会积聚在你的身体里，就像静电一样。在该电荷周围，产生电影响周围环境的场=电场。它在电荷附近越强，越远越弱。当到达无限远或接地导体时，该电场消失。我在左侧下方用蓝色渐变绘制了一个电荷在空间中的电场图像。“没有什么可以阻碍的”就像这样。在那个右侧，用红线写上了电力线。电力线被写成对应于原始电荷强度的数量作为电场方向上的箭头，并且在电场强的部分，电力线变得密集并且变弱并且变得稀疏因此，在视觉上掌握电场的形成状态是方便的。

图10电场和电力线、电荷和电流

虽然图中所示的是最简单的状态，但是该电场受到周围环境中的其他电荷和导体的影响，并且彼此的电场被排斥。此外，电荷可以定义为正=“+”和负=“-”。相同的符号互相排斥，相反的符号互相吸引。

那么，在这里，可以说当信号流动时电流流动。电流是电荷移动的状态。电流通过的导体周围同样会产生电场。在交流电流的情况下，当保持在同一个地方时，向上提升的电场的“Omoto”的强度正在改变。如果它们是像差分信号那样反转的信号，则可以将它们视为正电荷和负电荷，并以相同的方式移动它们。因此，从现在开始，我想在用正电荷或负电荷替换信号时，将单端和差分传输的电场状态视为电力线的状态。

对于单端传输，参考=GND更为重要

下面是在没有参考=GND的情况下，通过电力线的单端传输和差分传输的电场的图像。正如您所看到的，有一种感觉，电场在差分传输中“关闭”。这是因为电场将通过反转信号适合，下面是“+”和“-”耦合/耦合。

在一个单端传输中，它是径向发散的。

图11单端传输和差分传输周围的电场

听起来可能有点刺耳，但除非包含这个电场，否则作为传输线基本性能的特性阻抗将不稳定。在传输线和连接器的设计中，差分传输相对稳定，相对灵活，但在单端传输中，需要以某种方式抑制这种剧烈的电场。因此，针对高速差分传输而优化的连接器无法适应单端信号的电场，并且无法提供预期的性能。

因此，如何抑制消散的电场是在周围安装接地金属是有效的 (它变得像双关语・・・・) 。电力线的性质是垂直进入GND板并在那里结束。例如，如果在像上面的单端传输那样的电场发散的状态下用接地的金属体等覆盖它，它将重生为非常稳定的轨道 (它将成为稍后描述的同轴结构) 。即使你不去那里，你也需要用相应的参考=GND来平静电场。我认为围绕它的图像是一个相对容易掌握的例子，所以我将解释如何安装GND板，使单端电场表现得像差分电场。

单端传输变为差分:参考=GND平面是“镜子”

那么，通过这种方式，我认为您可以想象单端传输或单个GND板可以将其带到差分电场的范围内。然而，在实践中，例如，在连接器上具有足够长的 (严格来说是无限的) 顶部和底部屏蔽通常是不现实的。此外，虽然上图是一个截面的截面，但屏蔽材料必须在前后都有足够的长度才能保持这种电场状态。如果中断，电场又会恢复到原来的暴徒。此外，为了正确地再现等于差分的状态，屏蔽的电阻值必须为零，因此如果镜子是阴天或划伤，镜像将模糊。这是超导) 。

因此，实际上，对于高速单端传输，有必要在设计用于屏蔽的金属的特性和结构约束的同时，将成为“GND平面”的屏蔽部分放置在“良好的盐梅”中。为此，我认为知道同轴结构是最接近传输线和连接器的状态的捷径，与没有屏蔽的状态相反，所以我将把故事转移到那里。

同轴结构和电场稳定，最佳线路

他解释说，“参考 = GND 对于单端传输更为重要”，并且单端传输线“如果覆盖有接地金属物体，则非常稳定。”如果您实际覆盖周围区域，它将如下图所示。

图13用接地金属体等覆盖时稳定的单端传输

与信号轨道具有相同轴的同心圆参考的结构称为“同轴结构”。保持电力线原本的方向性，电场整齐地收纳。另外，我认为你可以看到空间电场 (电力线的分布) 排列得非常漂亮。由于形成了如此干净和规则的电场配置，因此可以以相对简单的形式表示作为线路的重要特性的特性阻抗。

图14同轴线的基本结构和特性阻抗

它由作为线路的内导体和作为参考的外导体的直径之比以及要填充的介电材料的介电常数唯一确定。因此，同轴结构使得调节特性阻抗变得相对容易。作为单端传输线，简单就是最好的。
 
对于连接器来说，性能提升的关键在于如何在连接部分保持同轴结构，因此为了保证公母连接器之间的紧密配合，其配合结构例如如下图一所示。对不起...）

图15同轴连接器接合部图像

这种单端传输+同轴结构是作为传输路径和连接器的高速传输中最强的。在差分传输中，很容易构建用于高速传输的线路和连接，直到某个区域，因为它被设置为“相对灵活”，但如果你去最终的地方，这个单端和同轴的组合没有完美的匹配。例如，当前往毫米波段中的信号时，它可能是目前最容易保证性能的方法，通过杀死差分中的“耦合”并用两个同轴发送它。

另一方面，同轴结构具有实现低成本和实现除高速传输之外的功能的问题。

偏离和接近同轴结构

同轴连接器与所需的性能相匹配，通过局部偏离同轴结构，增加功能或降低成本来提高可用性。最常见的方法是使安装部分与电路板脱离同轴结构，当优先考虑可操作性时，它会大大偏离，当性能严重时，将同轴结构保持到极限并将偏差降至最低我会的。此外，为了具有浮动/移动功能，在与基板的连接部分添加了弹簧，并且浮动同轴连接器允许轴连接器在盆状托盘中移动，如图17所示连接器制造商已经商业化 (后者已经标准化) 。

图16同轴结构的偏离

另一方面，为了从非同轴结构接近同轴的高速传输性能，存在使结构靠近的情况。我认为有很多人记得一定年龄的人，但DVI是显示器的标准IF,曾经是主流，有一个GND端子，用于模拟单端传输的十字切断有一个终端再现了接近同轴的状态。

图18 DVI接口

另外，对于背板连接器，很多GND端子和屏蔽用于支持单端传输，可以看出连接器正在向同轴状态发展。我们努力的一个例子是我们的“汽车同轴摄像头解决方案”中引入的同轴压缩连接器。通过在可移动压缩型连接器中适当地布置用作参考=GND的金属部件，该连接器尽管具有非同轴结构，但仍实现了伪同轴性能。

图19可动同轴用压缩连接器

这样，对于高速单端传输，同轴结构就成为“教科书”，通过偏离它、从另一种结构接近它，创造出适合应用的结构。尤其是后者是“参考=GND对于单端传输更重要这是为了实践“妥善放置将成为 GND 平面的屏蔽部分”中提到的方法。对于单端传输连接器来说，如果不进行处理，电场会发散，如何提供这种屏蔽是比差分连接器更重要的一点。

总结

这个时代的主题很难简要解释，我很抱歉它变得相当大・・・即使它说相同的XX Gbps或YY GHz通信，差分传输和单端传输之间的区别，连接器开发的向量也不同如果你能理解它是不同的，我会很高兴。此外，如果有人对本文感兴趣并调查或学习更详细的内容，那将是非常愉快的。或者，如果你能得到诸如“那里的思维方式不同”或“引入这种情况的人更容易理解”之类的评论，我很高兴。

IRISO Industry 已向全球发布了多款产品，为支持高速差分传输的连接器添加了额外的功能。至于单端传输，我们慢慢开始看到机会，并且我们正在继续积极开发其他产品。仅仅“支持高速传输”并不是我们公司的特色，因此我们将继续努力，直到有一天我们能够作为具有其他功能和优点的产品吸引越来越多的人的关注！

在这里，我们介绍了我们在高速传输连接器和汽车同轴相机解决方案方面的各种努力。请一定看看。