Дифференциальный сигнал — способ электрической передачи информации с помощью двух противофазных сигналов. В данном методе один электрический сигнал передаётся в виде дифференциальной пары сигналов, каждый по своему проводнику, но один представляет инвертированный сигнал другого, противоположный по знаку. Это может быть витая пара, твинаксиальный кабель или даже пара дорожек на печатной плате. Приёмник дифференциального сигнала реагирует на разницу между двумя сигналами, а не на различие между одним проводом и потенциалом земли (такой принцип используется в другом методе передачи — называется асимметричная сигнализация).
Термин «Дифференциальная пара» относится к паре сигнальных дорожек, используемых в высокоскоростных цепях, которые передают равные и противоположные сигналы для устранения шума и повышения мощности сигнала . Это ключевой компонент в таких интерфейсах, как USB, SATA и PCI Express, обеспечивающий устойчивость к шумам и более высокие скорости в схемных решениях.При условии, что импеданс источника и приёмника в дифференциальной цепи равны, внешние электромагнитные помехи, как правило, будут затрагивать оба проводника одинаково. Так как приёмная схема определяет разницу уровней между проводами, дифференциальные сигналы становятся намного более устойчивы к воздействию электромагнитных помех по сравнению с одиночными проводниками, уровень которых измеряется относительно земли. Метод передачи дифференциальных сигналов используется как для аналоговых сигналов (например, в сбалансированных подключениях аудиосигнала), так и для цифровых сигналов, в особенности высокоскоростных: RS-422, RS-485, Ethernet по витой паре, PCI Express, DisplayPort, HDMI и USB. Один из самых популярных стандартов передачи дифференциальных сигналов — LVDS .
Дифференциальный сигнал подобен балансному (симметричному) сигналу, предоставляя похожие преимущества качественной высокочастотной связи, защищённой от синфазных помех. Высокочастотные свойства балансного подключения отчасти связаны с тем, что оно лучше описывается как длинная волноводная линия, потери в которой в основном определяются диэлектриком. В то же время при однопроводном (небалансном) подключении потери определяются только сопротивлением металла и быстро растут с частотой вследствие скин-эффекта.
Огромное практическое удобство дифференциальный сигнал предоставляет для сигнального соединения в пределах одной печатной платы между микросхемами, выполненными по подобной технологии. Однако вследствие реализации его на однополярных выходных каскадах микросхем содержит постоянную составляющую. Выходной дифференциальный порт, как правило, нельзя напрямую подключать к симметричным линиям передачи или антеннам без специального согласования. В случаях, когда размеры и стоимость платы допускают, такое согласование и одновременная балансировка без труда достигаются с использованием схем на согласующих трансформаторах и балунах.
Дифференциальные пары обычно находят применение для высокоскоростных каналов передачи данных на печатных платах, в витой паре (в том числе экранированной), в ленточных кабелях и разъёмах. Высокоскоростные дифференциальные пары часто подключают к СФ-блокам сериализатор / десериализатор.
Преимущества дифференциальных пар:
1. Устойчивость к шуму: дифференциальные пары имеют высокую устойчивость к внешнему шуму и помехам из-за того, что сигнал передается как разность между двумя сигналами.
2. Высокая скорость передачи данных: дифференциальные пары могут обеспечить более высокую скорость передачи данных по сравнению с одиночными проводниками.
3. Меньшее потребление энергии: дифференциальные пары часто потребляют меньше энергии, чем одиночные проводники, что делает их более эффективными и экономичными.
Недостатки дифференциальных пар:
1. Большие затраты на производство и монтаж: из-за необходимости использования двух проводников для передачи данных дифференциальные пары могут требовать больше затрат на производство и установку.
2. Сложность дизайна: для использования дифференциальных пар требуется специальный дизайн и схемотехника, что может усложнить проектирование системы.
3. Требования к согласованию: для эффективной работы дифференциальных пар необходимо обеспечить правильное согласование характеристик и параметров линий связи, что также может быть проблематично.