Основи: одностороння та диференціальна сигналізація

По-перше, ми повинні вивчити деякі основи про те, що таке нескінченна сигналізація, перш ніж ми зможемо розглянути диференційну сигналізацію та її характеристики.

Одностороння сигналізація

Одностороння сигналізація є простим і поширеним способом передачі електричного сигналу від відправника до приймача. Електричний сигнал передається напругою (часто різною напругою), яка посилається на фіксований потенціал, зазвичай вузол 0 В, який називається «земля».

Один провідник несе сигнал, а один провідник несе загальний опорний потенціал. Струм, пов’язаний із сигналом, проходить від відправника до приймача і повертається в джерело живлення через заземлення. Якщо передається кілька сигналів, схемі буде потрібно один провідник для кожного сигналу плюс одне спільне заземлення; таким чином, наприклад, за допомогою 16 провідників можна передати 17 сигналів.

 

Одностороння топологія

Диференціальна сигналізація

Диференціальна сигналізація, яка є менш поширеною, ніж несполучна сигналізація, використовує два додаткових сигнали напруги для передачі одного інформаційного сигналу. Отже, для одного інформаційного сигналу потрібна пара провідників; один несе сигнал, а інший передає інвертований сигнал.

 

Односторонній проти диференціала: загальна часова діаграма

 

Приймач витягує інформацію, виявляючи різницю потенціалів між інвертованим і неінвертованим сигналами. Два сигнали напруги є «збалансованими», що означає, що вони мають однакову амплітуду та протилежну полярність відносно синфазної напруги. Зворотні струми, пов'язані з цими напругами, також збалансовані і, таким чином, компенсують один одного; з цієї причини ми можемо сказати, що диференціальні сигнали мають (в ідеалі) нульовий струм, що протікає через заземлення.

При диференційній сигналізації відправник і одержувач не обов’язково мають спільну опорну землю. Однак використання диференціальної сигналізації не означає, що різниця потенціалів землі між відправником і приймачем не впливає на роботу схеми.

Якщо передається кілька сигналів, для кожного сигналу потрібні два провідники, і часто необхідно або, принаймні, вигідно включити заземлення, навіть якщо всі сигнали є диференціальними. Таким чином, наприклад, для передачі 16 сигналів знадобиться 33 провідники (порівняно з 17 для несполучної передачі). Це демонструє очевидний недолік диференціальної сигналізації.

 

Топологія диференціальної сигналізації

Переваги диференціальної сигналізації

Однак є важливі переваги диференціальної сигналізації, які можуть більш ніж компенсувати збільшення кількості провідників.

Без зворотного струму

Оскільки у нас (в ідеалі) немає зворотного струму, опорне значення заземлення стає менш важливим. Потенціал землі може навіть відрізнятися у відправника та одержувача або переміщатися в межах певного прийнятного діапазону. Однак вам потрібно бути обережним, оскільки диференціальна сигналізація з сполученням постійного струму (наприклад, USB, RS-485, CAN) зазвичай вимагає спільного потенціалу землі, щоб гарантувати, що сигнали залишаються в межах максимальної та мінімальної допустимої синфазної напруги інтерфейсу.

Стійкість до вхідних ЕМІ та перехресних перешкод

Якщо електромагнітні перешкоди (електромагнітні перешкоди) або перехресні перешкоди (тобто ЕМІ, що генеруються сусідніми сигналами) вводяться ззовні диференціальних провідників, вони рівномірно додаються до інвертованого та неінвертованого сигналу. Приймач реагує на різницю в напрузі між двома сигналами, а не на несимметричну (тобто заземлену) напругу, і, таким чином, схема приймача значно зменшить амплітуду перешкод або перехресних перешкод.

Ось чому диференціальні сигнали менш чутливі до EMI, перехресних перешкод або будь-якого іншого шуму, який поєднується з обома сигналами диференціальної пари.

Зменшення вихідних EMI та перехресних перешкод

Швидкі переходи, такі як висхідний і спадний фронти цифрових сигналів, можуть генерувати значну кількість електромагнітних помех. І нескінченний, і диференціальний сигнали генерують EMI, але два сигнали в диференціальній парі створюватимуть електромагнітні поля, які (в ідеалі) рівні за величиною, але протилежні за полярністю. Це, у поєднанні з методами, які підтримують близькість між двома провідниками (наприклад, використання кабелю витої пари), гарантує, що випромінювання від двох провідників значною мірою компенсують одне одного.

Робота на низькій напрузі

Односторонні сигнали повинні підтримувати відносно високу напругу, щоб забезпечити адекватне відношення сигнал/шум (SNR). Звичайні напруги несимметричного інтерфейсу становлять 3.3 В і 5 В. Через їх покращену стійкість до шуму диференціальні сигнали можуть використовувати нижчі напруги і при цьому підтримувати відповідне співвідношення сигнал/шум. Крім того, SNR диференціальної сигналізації автоматично збільшується в два рази відносно еквівалентної несимметричної реалізації, оскільки динамічний діапазон на диференціальному приймачі вдвічі вищий за динамічний діапазон кожного сигналу в диференціальній парі.

Можливість успішно передавати дані за допомогою нижчих напруг сигналу має кілька важливих переваг:

• Можна використовувати нижчі напруги живлення.
• Менші переходи напруги
  • зменшити випромінювання ЕМІ,
  • зменшити споживання електроенергії, і
  • дозволяють підвищити робочі частоти.

Високий або низький стан і точний час

Ви коли-небудь замислювалися, як саме ми вирішуємо, чи перебуває сигнал у логічному високому чи логічному низькому стані? У несимметричних системах ми повинні враховувати напругу джерела живлення, порогові характеристики схеми приймача, можливо, значення опорної напруги. І, звісно, ​​існують варіації та допуски, які вносять додаткову невизначеність у питання логіки високої чи низької логіки.

У диференціальних сигналах визначення логічного стану є більш простим. Якщо напруга неінвертованого сигналу вища за напругу інвертованого сигналу, у вас високий рівень логіки. Якщо неінвертована напруга нижча за інвертовану, у вас низький рівень логіки. І перехід між двома станами є точкою, в якій перетинаються неінвертований та інвертований сигнали, тобто точкою перетину.

Це одна з причин, чому важливо узгоджувати довжини проводів або трас, що передають диференціальні сигнали: для максимальної точності синхронізації потрібно, щоб точка кросовера точно відповідала логічному переходу, але коли два провідники в парі не однакові довжини, різниця в затримці поширення призведе до зміщення точки переходу.

додатків

В даний час існує багато стандартів інтерфейсу, які використовують диференціальні сигнали. Серед них:

• LVDS (низьковольтна диференціальна сигналізація)
• CML (логіка поточного режиму)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Високоякісне збалансоване аудіо

Очевидно, що теоретичні переваги диференціальної сигналізації були підтверджені практичним використанням у незліченних реальних застосуваннях.

Основні методи друкованих плат для маршрутизації диференціальних трас

Нарешті, давайте дізнаємося основи маршрутизації диференціальних трас на друкованих платах. Маршрутизація диференціальних сигналів може бути дещо складною, але є деякі основні правила, які роблять процес більш простим.

Збіг довжини та довжини – будьте однаковими!

Диференціальні сигнали (в ідеалі) рівні за величиною і протилежні за полярністю. Таким чином, в ідеальному випадку через землю не протікатиме чистий зворотний струм. Ця відсутність зворотного струму — це добре, тому ми хочемо, щоб усе було якомога ідеальним, а це означає, що нам потрібні рівні довжини для двох трас у диференціальній парі.

Чим вище час наростання/спаду вашого сигналу (не плутати з частотою сигналу), тим більше ви повинні переконатися, що сліди мають однакову довжину. Ваша програма компонування може включати функцію, яка допоможе вам точно налаштувати довжину трас для диференціальних пар. Якщо у вас виникають труднощі з досягненням рівної довжини, ви можете використовувати техніку «меандр».

 

Приклад меандрового сліду

Ширина та відстань – залишайтеся постійними!

Чим ближче диференціальні провідники, тим краще буде зв’язок сигналів. Створені ЕМІ будуть ефективніше гаситися, а отримані ЕМІ рівномірно поєднуються з обома сигналами. Тому постарайтеся зблизити їх один з одним.

Щоб уникнути перешкод, слід розмістити провідники диференціальної пари якомога далі від сусідніх сигналів. Ширину і проміжок між вашими трасами слід вибирати відповідно до цільового імпедансу і повинні залишатися постійними по всій довжині трас. Тому, якщо можливо, сліди повинні залишатися паралельними, коли вони рухаються навколо друкованої плати.

Імпеданс – мінімізуйте відхилення!

Одна з найважливіших речей, яку потрібно зробити при розробці друкованої плати з диференціальними сигналами, - це з'ясувати цільовий опір для вашої програми, а потім відповідно розкласти ваші диференціальні пари. Крім того, тримайте варіації опору якомога меншими.

Опір вашої диференціальної лінії залежить від таких факторів, як ширина траси, з’єднання трас, товщина міді, а також матеріал і набір шарів друкованої плати. Розгляньте кожне з них, намагаючись уникнути чогось, що змінює опір вашої диференціальної пари.

Не направляйте високошвидкісні сигнали через проміжок між мідними ділянками на плоскому шарі, оскільки це також впливає на ваш опір. Намагайтеся уникати розривів у площинах землі.

Рекомендації щодо макетів – прочитайте, проаналізуйте та подумайте над ними!

І, останнє, але не менш важливе, є одна дуже важлива річ, яку ви повинні зробити під час маршрутизації диференціальних трас: отримати таблицю даних та/або примітки додатка для чіпа, який надсилає або отримує диференціальний сигнал, прочитати рекомендації щодо макета та проаналізувати їх тісно. Таким чином ви можете реалізувати найкращий макет з урахуванням обмежень конкретного дизайну.

Висновок

Диференціальна сигналізація дозволяє нам передавати інформацію з нижчою напругою, хорошим SNR, покращеною стійкістю до шумів і більш високою швидкістю передачі даних. З іншого боку, кількість провідників збільшується, і системі знадобляться спеціалізовані передавачі та приймачі замість стандартних цифрових мікросхем.

У наш час диференціальні сигнали є частиною багатьох стандартів, включаючи LVDS, USB, CAN, RS-485 і Ethernet, і тому ми всі повинні бути (принаймні) знайомі з цією технологією. Якщо ви справді проектуєте друковану плату з диференціальними сигналами, не забудьте ознайомитися з відповідними таблицями даних та примітками до програм, і, якщо необхідно, прочитайте цю статтю ще раз!

Залишити повідомлення 

список повідомлень