讨论差分信号链在3G和4G无线应用中的性能和优点

根据定义，单端信号是一种不平衡信号，通过感兴趣信号与固定参考点之间的差值来进行衡量。这个参考点通常是地，用作信号的返回路径。如果有误差源被引入信号路径，就会产生问题。因为地参考是不受注入误差的影响，因此误差将通过信号向前传送。如果不使用极度复杂的抵消技术，在单端配置中引入的任何信号变化都很难消除。因此，单端信号很容易受噪声和电磁耦合干扰的影响。

另一方面，差分信号由成对的平衡信号组成，这些信号以参考点中心，幅度相同，相位相反。正和负平衡信号之间的差值对应于复合差分信号。如果误差被引入差分系统路径，它将以相同的幅度同时增加到两个平衡信号上。因为返回路径并不是一个固定的参考点，误差将在差分信号中抵消。因此差分信号链不易受噪声和干扰的影响。这种固有的误差抵消功能还可以提供更好的共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSSR)。

差分信号链还有一个单端信号链不具备的优势，即在相同电源电压下复合信号摆幅可以达到单端摆幅的两倍，从而增加了信噪比。换句话说，在相同电源电压下增加了放大器余量，降低了失真；或者可以用更低的电源电压提供相同的信号摆幅，从而降低功耗。

图2显示了差分系统中固有的偶次谐波抵消。非线性器件，如本例中的单端和差分放大器，可以用给定正弦输入信号时的幂级数扩展传递函数来描述。在单端方案中，输出的每个倍频分量都有一个常数，包括偶次和奇次频率。在差分模块中，偶次非线性在复合输出响应中被抵消。虽然实际器件不能实现完美的抵消功能，但它们确实可以因偶次谐波降低而受益。

图3显示了针对驱动高速8位至16位ADC而优化的超低失真、低噪声差分放大器的谐波失真情况。图中显示了ADC器件被配置为单端和差分拓扑时的二次和三次谐波。虽然单端模式下的失真非常低，100MHz时的HD2值为82dBc，但采用差分操作时的偶次性能更好，在相同频率点HD2值低于100dBc。因此在相同电源轨条件下，采用差分拓扑的整个信号链的P1dB和IP3有望提高约6dB。

图3：虽然单端模式中的失真性能很低，但差分操作对偶次性能来说确实有明显的好处。在相同电源轨条件下，差分拓扑的输出１dB压缩点和IP3有望提高约６dB。

差分信号链

随着接收机的发展，差分元器件得到了越来越广泛的使用，它们能提供更高的性能等级。这种演进最初始于ADC，并逐渐向信号链上游发展。

过去，信号应用问题和有限的差分射频构建模块导致人们只选用单端或部分差分信号链。部分差分信号链的一个例子是省去了差分ADC驱动器，代之以单端器件和放大器来驱动ADC。虽然这是一种简单的解决方案，但对性能的不断追求要求更多的上游电路采用差分拓扑。除了消耗更多的功耗外，单端驱动放大器通常具有更差的偶次失真、CMR和PSR。

如图1所示，接收机常用的架构是单端射频输入和差分输出。单端和差分操作之间的分界线似乎在混频器那儿，像LNA等射频元件仍是单端元件。大多数SAW滤波器和混频器内核是固有的差分电路，但根据应用目的被转换成了单端方式。

多年来，双平衡混频器拓扑由于其高线性度而广泛用于蜂窝设备。遗憾的是，用于将信号耦合至混频内核的传统变压器网络占用了相当大的电路板面积，给设计增加了很大的成本。较新的射频元件，如ADL535x混频器系列，集成了巴伦和变压器，并提供带单端射频输入和差分中频输出的简单易用射频模块。

图4表明所有三个混频器端口内部全部是差分结构。为了方便作用，射频和本振端口使用变压器连接到外部，因此允许单端接口。相比之下，中频输出端口包含一个具有200Ω输出阻抗的驱动放大器，并采用差分方式以方便与差分SAW滤波器连接。本振和射频巴伦的集成限制了混频器的工作频率，因此要求使用专门工作在蜂窝频率范围的器件系列。

图4：集成射频电路技术的最新发展允许设计师方便地使用具有单端射频输入至差分中频输出的混频器。所有三个内部混频器端口都可以充分发挥差分优势，同时更方便地与外部世界相连。