Elementele de bază: semnalizare unică și diferențială

În primul rând, trebuie să învățăm câteva elemente de bază despre ce este semnalizarea cu un singur capăt înainte de a putea trece peste semnalizarea diferențială și caracteristicile sale.

Semnalizare cu un singur capăt

Semnalizarea cu un singur capăt este o modalitate simplă și comună de transmitere a unui semnal electric de la un emițător la un receptor. Semnalul electric este transmis printr-o tensiune (adesea o tensiune variabilă), care este referită la un potențial fix, de obicei un nod de 0 V denumit „masă”.

Un conductor transportă semnalul și un conductor poartă potențialul de referință comun. Curentul asociat semnalului se deplasează de la emițător la receptor și revine la sursa de alimentare prin conexiunea la masă. Dacă sunt transmise mai multe semnale, circuitul va necesita un conductor pentru fiecare semnal plus o conexiune comună la pământ; astfel, de exemplu, pot fi transmise 16 semnale folosind 17 conductori.

 

Topologie cu un singur capăt

Semnalizare diferențială

Semnalizarea diferențială, care este mai puțin comună decât semnalizarea cu un singur capăt, utilizează două semnale de tensiune complementare pentru a transmite un semnal de informare. Deci un semnal de informare necesită o pereche de conductori; unul transportă semnalul, iar celălalt transportă semnalul inversat.

 

Un singur capăt vs. diferenţial: diagramă de timp generică

 

Receptorul extrage informații prin detectarea diferenței de potențial dintre semnalele inversate și cele neinversate. Cele două semnale de tensiune sunt „echilibrate”, ceea ce înseamnă că au amplitudine egală și polaritate opusă față de o tensiune de mod comun. Curenții de retur asociați cu aceste tensiuni sunt de asemenea echilibrați și astfel se anulează reciproc; din acest motiv, putem spune că semnalele diferențiale au (ideal) curent zero care circulă prin conexiunea la masă.

Cu semnalizarea diferențială, emițătorul și receptorul nu au neapărat o referință comună la sol. Cu toate acestea, utilizarea semnalizării diferențiale nu înseamnă că diferențele de potențial de masă dintre emițător și receptor nu au niciun efect asupra funcționării circuitului.

Dacă sunt transmise mai multe semnale, sunt necesari doi conductori pentru fiecare semnal și este adesea necesar sau cel puțin benefic să se includă o conexiune la pământ, chiar și atunci când toate semnalele sunt diferențiale. Astfel, de exemplu, transmiterea a 16 semnale ar necesita 33 de conductori (comparativ cu 17 pentru transmisia cu un singur capăt). Acest lucru demonstrează un dezavantaj evident al semnalizării diferențiale.

 

Topologie de semnalizare diferențială

Beneficiile semnalizării diferențiale

Cu toate acestea, există beneficii importante ale semnalizării diferențiale care pot compensa mai mult decât numărul crescut de conductori.

Curent fără retur

Deoarece nu avem (în mod ideal) curent de retur, referința la masă devine mai puțin importantă. Potențialul de masă poate fi chiar diferit la emițător și receptor sau deplasându-se într-un anumit interval acceptabil. Cu toate acestea, trebuie să fiți atenți, deoarece semnalizarea diferențială cuplată în curent continuu (cum ar fi USB, RS-485, CAN) necesită, în general, un potențial de împământare partajat pentru a vă asigura că semnalele rămân în limita tensiunii maxime și minime permise în modul comun a interfeței.

Rezistență la intrarea EMI și diafonie

Dacă EMI (interferență electromagnetică) sau diafonie (adică, EMI generată de semnalele din apropiere) este introdusă din exteriorul conductorilor diferențiați, se adaugă în mod egal la semnalul inversat și neinversat. Receptorul răspunde la diferența de tensiune dintre cele două semnale și nu la tensiunea cu un singur capăt (adică, referită la pământ), și astfel circuitele receptorului vor reduce foarte mult amplitudinea interferenței sau a diafoniei.

Acesta este motivul pentru care semnalele diferențiale sunt mai puțin sensibile la EMI, diafonie sau orice alt zgomot care se cuplează în ambele semnale ale perechii diferențiale.

Reducerea EMI de ieșire și a diafoniei

Tranzițiile rapide, cum ar fi marginile ascendentă și descendentă ale semnalelor digitale, pot genera cantități semnificative de EMI. Atât semnalele unice, cât și cele diferențiale generează EMI, dar cele două semnale dintr-o pereche diferențială vor crea câmpuri electromagnetice care sunt (ideal) egale ca mărime, dar opuse ca polaritate. Acest lucru, împreună cu tehnicile care mențin proximitatea între cei doi conductori (cum ar fi utilizarea unui cablu cu perechi răsucite), asigură că emisiile de la cei doi conductori se vor anula în mare măsură reciproc.

Funcționare la tensiune joasă

Semnalele cu un singur capăt trebuie să mențină o tensiune relativ ridicată pentru a asigura un raport semnal-zgomot (SNR) adecvat. Tensiunile obișnuite ale interfeței cu un singur capăt sunt 3.3 V și 5 V. Datorită rezistenței lor îmbunătățite la zgomot, semnalele diferențiale pot folosi tensiuni mai scăzute și mențin totuși un SNR adecvat. De asemenea, SNR-ul semnalizării diferenţiale este mărit automat cu un factor de doi în raport cu o implementare echivalentă single-ended, deoarece intervalul dinamic la receptorul diferenţial este de două ori mai mare decât intervalul dinamic al fiecărui semnal din perechea diferenţială.

Capacitatea de a transfera cu succes date folosind tensiuni de semnal mai mici vine cu câteva beneficii importante:

• Pot fi utilizate tensiuni de alimentare mai mici.
• Tranziții mai mici de tensiune
  • reduce EMI radiat,
  • reduce consumul de energie și
  • permite frecvențe de operare mai mari.

Stare ridicată sau scăzută și sincronizare precisă

V-ați întrebat vreodată cum decidem exact dacă un semnal se află într-o stare logic-high sau logic-low? În sistemele single-ended, trebuie să luăm în considerare tensiunea de alimentare, caracteristicile de prag ale circuitului receptorului, poate valoarea unei tensiuni de referință. Și, desigur, există variații și toleranțe, care aduc o incertitudine suplimentară în întrebarea logic-high-or-logic-low.

În semnalele diferențiale, determinarea stării logice este mai simplă. Dacă tensiunea semnalului neinversat este mai mare decât tensiunea semnalului inversat, aveți logica ridicată. Dacă tensiunea neinversată este mai mică decât tensiunea inversată, aveți logica scăzută. Iar tranziția dintre cele două stări este punctul în care semnalele neinversate și inversate se intersectează, adică punctul de încrucișare.

Acesta este unul dintre motivele pentru care este important să se potrivească lungimile firelor sau urmelor care transportă semnale diferențiale: pentru o precizie maximă de sincronizare, doriți ca punctul de trecere să corespundă exact tranziției logice, dar când cei doi conductori din pereche nu sunt egali. lungime, diferența de întârziere de propagare va determina deplasarea punctului de încrucișare.

aplicatii

În prezent, există multe standarde de interfață care utilizează semnale diferențiale. Acestea includ următoarele:

• LVDS (semnalizare diferențială de joasă tensiune)
• CML (logica mod curent)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Sunet echilibrat de înaltă calitate

În mod clar, avantajele teoretice ale semnalizării diferențiale au fost confirmate prin utilizarea practică în nenumărate aplicații din lumea reală.

Tehnici de bază PCB pentru rutarea urmelor diferențiale

În cele din urmă, să învățăm elementele de bază ale modului în care urmele diferențiale sunt direcționate pe PCB-uri. Dirijarea semnalelor diferențiale poate fi puțin complexă, dar există câteva reguli de bază care fac procesul mai simplu.

Potrivirea lungimii și a lungimii - Păstrați-o egală!

Semnalele diferențiale sunt (ideal) egale ca mărime și opuse ca polaritate. Astfel, în cazul ideal, nici un curent net de retur nu va circula prin pământ. Această absență a curentului de retur este un lucru bun, așa că dorim să păstrăm totul cât mai ideal posibil și asta înseamnă că avem nevoie de lungimi egale pentru cele două urme dintr-o pereche diferențială.

Cu cât timpul de creștere/cădere a semnalului este mai mare (a nu se confunda cu frecvența semnalului), cu atât mai mult trebuie să vă asigurați că urmele au lungimea identică. Programul dvs. de aspect ar putea include o caracteristică care vă ajută să reglați lungimea urmelor pentru perechile diferențiale. Dacă întâmpinați dificultăți în a obține o lungime egală, puteți utiliza tehnica „meandrului”.

 

Un exemplu de urmă cu șerpuire

Lățimea și distanța – Păstrați-o constantă!

Cu cât conductoarele diferențiale sunt mai apropiate, cu atât cuplarea semnalelor va fi mai bună. EMI generat se va anula mai eficient, iar EMI recepţionat se va cupla mai egal în ambele semnale. Așa că încearcă să-i apropii cu adevărat.

Ar trebui să direcționați conductorii perechilor diferențiale cât mai departe de semnalele învecinate, pentru a evita interferențele. Lățimea și spațiul dintre urme ar trebui selectate în funcție de impedanța țintă și ar trebui să rămână constante pe toată lungimea urmelor. Deci, dacă este posibil, urmele ar trebui să rămână paralele pe măsură ce se deplasează în jurul PCB-ului.

Impedanță – Minimizați variațiile!

Unul dintre cele mai importante lucruri de făcut atunci când proiectați un PCB cu semnale diferențiale este să aflați impedanța țintă pentru aplicația dvs. și apoi să vă aranjați perechile diferențiale în consecință. De asemenea, păstrați variațiile de impedanță cât mai mici posibil.

Impedanța liniei diferențiale depinde de factori precum lățimea urmei, cuplarea urmelor, grosimea cuprului și materialul PCB și stivuirea stratului. Luați în considerare fiecare dintre acestea în timp ce încercați să evitați orice schimbă impedanța perechii dvs. diferențiale.

Nu direcționați semnalele de mare viteză peste un spațiu între zonele de cupru dintr-un strat plan, deoarece acest lucru vă afectează și impedanța. Încercați să evitați discontinuitățile în planurile de sol.

Recomandări de aspect – Citiți, analizați și gândiți-vă prea mult la ele!

Și, nu în ultimul rând, există un lucru foarte important pe care trebuie să-l faceți atunci când rutați urmele diferențiale: obțineți fișa de date și/sau note de aplicație pentru cipul care trimite sau primește semnalul diferențial, citiți recomandările de aspect și analizați ei îndeaproape. În acest fel, puteți implementa cel mai bun aspect posibil în constrângerile unui anumit design.

Concluzie

Semnalizarea diferențială ne permite să transmitem informații cu tensiuni mai mici, SNR bun, imunitate îmbunătățită la zgomot și rate de date mai mari. Pe de altă parte, numărul conductorilor crește, iar sistemul va avea nevoie de transmițătoare și receptoare specializate în loc de circuite integrate digitale standard.

În zilele noastre, semnalele diferențiale fac parte din multe standarde, inclusiv LVDS, USB, CAN, RS-485 și Ethernet și, prin urmare, cu toții ar trebui să fim (cel puțin) familiarizați cu această tehnologie. Dacă proiectați de fapt un PCB cu semnale diferențiale, nu uitați să consultați fișele tehnice relevante și notele aplicației și, dacă este necesar, citiți din nou acest articol!

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje