Основите: еднокрайна и диференциална сигнализация

Първо, трябва да научим някои основи за това какво е еднопосочно сигнализиране, преди да можем да разгледаме диференциалната сигнализация и нейните характеристики.

Еднопосочна сигнализация

Еднопосочната сигнализация е прост и често срещан начин за предаване на електрически сигнал от подател към приемник. Електрическият сигнал се предава от напрежение (често различно напрежение), което се отнася към фиксиран потенциал, обикновено 0 V възел, наричан "земя".

Един проводник носи сигнала и един проводник носи общия референтен потенциал. Токът, свързан със сигнала, преминава от подателя към приемника и се връща към захранването през заземяващата връзка. Ако се предават множество сигнали, веригата ще изисква един проводник за всеки сигнал плюс една споделена заземителна връзка; така, например, 16 сигнала могат да бъдат предадени с помощта на 17 проводника.

 

Топология с един край

Диференциална сигнализация

Диференциалното сигнализиране, което е по-рядко срещано от еднопосочното сигнализиране, използва два допълнителни сигнала за напрежение, за да предаде един информационен сигнал. Така че един информационен сигнал изисква двойка проводници; единият носи сигнала, а другият - обърнатия сигнал.

 

Еднолицев срещу диференциал: Обща времева диаграма

 

Приемникът извлича информация, като открива потенциалната разлика между инвертирания и неинвертирания сигнал. Двата сигнала за напрежение са "балансирани", което означава, че имат еднаква амплитуда и противоположен полярност спрямо напрежението в общ режим. Обратните токове, свързани с тези напрежения, също са балансирани и по този начин се компенсират взаимно; поради тази причина можем да кажем, че диференциалните сигнали имат (в идеалния случай) нулев ток, протичащ през заземяващата връзка.

При диференциално сигнализиране подателят и получателят не споделят непременно обща заземителна референтна връзка. Въпреки това, използването на диференциална сигнализация не означава, че разликите в потенциала на земята между подателя и приемника нямат ефект върху работата на веригата.

Ако се предават множество сигнали, за всеки сигнал са необходими два проводника и често е необходимо или поне е полезно да се включи заземителна връзка, дори когато всички сигнали са диференциални. Така, например, предаването на 16 сигнала ще изисква 33 проводника (в сравнение със 17 за едностранно предаване). Това демонстрира очевиден недостатък на диференциалното сигнализиране.

 

Топология на диференциалната сигнализация

Предимства на диференциалната сигнализация

Въпреки това, има важни предимства на диференциалното сигнализиране, които могат повече от компенсират увеличения брой проводници.

Без обратен ток

Тъй като нямаме (в идеалния случай) връщащ ток, заземяването става по-малко важно. Потенциалът на земята може дори да бъде различен при подателя и получателя или да се движи в рамките на определен приемлив диапазон. Трябва обаче да внимавате, тъй като диференциалната сигнализация, свързана с постоянен ток (като USB, RS-485, CAN) обикновено изисква споделен потенциал на земята, за да се гарантира, че сигналите остават в рамките на максималното и минималното допустимо напрежение в общ режим на интерфейса.

Устойчивост на входящи EMI и кръстосани смущения

Ако EMI (електромагнитни смущения) или кръстосани смущения (т.е. EMI, генерирани от близки сигнали) се въвеждат извън диференциалните проводници, те се добавят по равно към инвертирания и неинвертирания сигнал. Приемникът реагира на разликата в напрежението между двата сигнала, а не на еднопосочното (т.е. реферирано към земята) напрежение и по този начин схемата на приемника ще намали значително амплитудата на смущенията или кръстосаните смущения.

Ето защо диференциалните сигнали са по-малко чувствителни към EMI, кръстосани смущения или друг шум, който се свързва в двата сигнала на диференциалната двойка.

Намаляване на изходящи EMI и кръстосани смущения

Бързите преходи, като нарастващите и спадащите ръбове на цифровите сигнали, могат да генерират значителни количества EMI. Както еднопосочните, така и диференциалните сигнали генерират EMI, но двата сигнала в диференциална двойка ще създадат електромагнитни полета, които (в идеалния случай) са равни по големина, но противоположни по полярност. Това, във връзка с техники, които поддържат непосредствена близост между двата проводника (като използването на кабел с усукана двойка), гарантира, че емисиите от двата проводника до голяма степен ще се компенсират взаимно.

Работа при ниско напрежение

Еднопосочните сигнали трябва да поддържат относително високо напрежение, за да осигурят адекватно съотношение сигнал/шум (SNR). Обикновените напрежения на единичен интерфейс са 3.3 V и 5 V. Поради подобрената си устойчивост на шум, диференциалните сигнали могат да използват по-ниски напрежения и все пак поддържат адекватно SNR. Също така, SNR на диференциалната сигнализация се увеличава автоматично с коефициент два спрямо еквивалентна едностранна реализация, тъй като динамичният диапазон в диференциалния приемник е два пъти по-висок от динамичния обхват на всеки сигнал в диференциалната двойка.

Възможността за успешно прехвърляне на данни с по-ниски напрежения на сигнала идва с няколко важни предимства:

• Могат да се използват по-ниски захранващи напрежения.
• По-малки преходи на напрежение
  • намаляване на излъчената EMI,
  • намаляване на консумацията на енергия и
  • позволяват по-високи работни честоти.

Високо или ниско състояние и точно време

Чудили ли сте се как точно решаваме дали даден сигнал е в логическо високо или логическо ниско състояние? В системи с един край трябва да вземем предвид напрежението на захранването, праговите характеристики на схемата на приемника, може би стойността на еталонното напрежение. И, разбира се, има вариации и допуски, които внасят допълнителна несигурност във въпроса логика-висока или логика-ниска.

При диференциалните сигнали определянето на логическото състояние е по-лесно. Ако напрежението на неинвертирания сигнал е по-високо от напрежението на инвертирания сигнал, имате висока логика. Ако неинвертираното напрежение е по-ниско от инвертираното напрежение, имате логика ниско. И преходът между двете състояния е точката, в която се пресичат неинвертираните и инвертираните сигнали – т.е. точката на пресичане.

Това е една от причините, поради които е важно да се съпоставят дължините на проводниците или следите, носещи диференциални сигнали: За максимална прецизност на времето, искате точката на кръстосване да съответства точно на логическия преход, но когато двата проводника в двойката не са еднакви дължина, разликата в забавянето на разпространението ще доведе до изместване на точката на пресичане.

Приложения

Понастоящем има много интерфейсни стандарти, които използват диференциални сигнали. Те включват следното:

• LVDS (диференциална сигнализация при ниско напрежение)
• CML (логика на текущия режим)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• МОГА
• USB
• Висококачествен балансиран звук

Ясно е, че теоретичните предимства на диференциалното сигнализиране са потвърдени от практическа употреба в безброй приложения в реалния свят.

Основни техники на печатни платки за маршрутизиране на диференциални следи

И накрая, нека научим основите на това как диференциалните следи се маршрутизират върху печатни платки. Маршрутирането на диференциални сигнали може да бъде малко сложно, но има някои основни правила, които правят процеса по-прост.

Съвпадение на дължината и дължината – поддържайте еднакви!

Диференциалните сигнали са (в идеалния случай) равни по големина и противоположни по полярност. По този начин, в идеалния случай, нетен обратен ток няма да тече през земята. Тази липса на обратен ток е нещо добро, така че искаме да запазим всичко възможно най-идеално, а това означава, че имаме нужда от равни дължини за двете следи в диференциална двойка.

Колкото по-голямо е времето за нарастване/спадане на вашия сигнал (да не се бърка с честотата на сигнала), толкова повече трябва да се уверите, че следите имат еднаква дължина. Вашата програма за оформление може да включва функция, която ви помага да прецизирате дължината на следите за диференциални двойки. Ако се затруднявате да постигнете еднаква дължина, можете да използвате техниката "меандър".

 

Пример за криволичеща следа

Ширина и разстояние – поддържайте ги постоянни!

Колкото по-близо са диференциалните проводници, толкова по-добро ще бъде свързването на сигналите. Генерираният EMI ще се анулира по-ефективно, а получените EMI ​​ще се съчетаят по-равно в двата сигнала. Затова се опитайте да ги сближите наистина.

Трябва да насочите проводниците на диференциалната двойка колкото е възможно по-далеч от съседните сигнали, за да избегнете смущения. Ширината и разстоянието между вашите следи трябва да бъдат избрани според целевия импеданс и трябва да останат постоянни по цялата дължина на следите. Така че, ако е възможно, следите трябва да останат успоредни, докато се движат около печатната платка.

Импеданс – минимизиране на вариациите!

Едно от най-важните неща, които трябва да направите, когато проектирате печатна платка с диференциални сигнали, е да разберете целевия импеданс за вашето приложение и след това да разположите своите диференциални двойки съответно. Освен това поддържайте вариациите на импеданса възможно най-малки.

Импедансът на вашата диференциална линия зависи от фактори като ширината на следата, свързването на следите, дебелината на медта и материала на печатната платка и подреждането на слоевете. Помислете за всяко от тях, докато се опитвате да избегнете всичко, което променя импеданса на вашата диференциална двойка.

Не насочвайте високоскоростни сигнали през пролука между медни зони на равнинен слой, защото това също се отразява на вашия импеданс. Опитайте се да избягвате прекъсвания в заземените равнини.

Препоръки за оформление – Прочетете, анализирайте и ги премислете!

И не на последно място, има едно много важно нещо, което трябва да направите, когато маршрутизирате диференциални следи: Вземете листа с данни и/или бележките за приложението за чипа, който изпраща или получава диференциалния сигнал, прочетете препоръките за оформление и анализирайте ги отблизо. По този начин можете да приложите възможно най-доброто оформление в рамките на ограниченията на конкретен дизайн.

Заключение

Диференциалната сигнализация ни позволява да предаваме информация с по-ниски напрежения, добро SNR, подобрен имунитет срещу шум и по-високи скорости на данни. От друга страна, броят на проводниците се увеличава и системата ще се нуждае от специализирани предаватели и приемници вместо стандартни цифрови ИС.

В днешно време диференциалните сигнали са част от много стандарти, включително LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet и затова всички трябва да сме (най-малкото) запознати с тази технология. Ако всъщност проектирате печатна платка с диференциални сигнали, не забравяйте да се консултирате със съответните листове с данни и бележки за приложения и ако е необходимо прочетете тази статия отново!

Остави съобщение 

Списък на ЛС