Základy: Jednostranná a diferenciálna signalizácia

Najprv sa musíme naučiť niekoľko základov o tom, čo je signalizácia s jedným zakončením, skôr než prejdeme k diferenciálnej signalizácii a jej charakteristikám.

Signalizácia s jedným koncom

Jednostranná signalizácia je jednoduchý a bežný spôsob prenosu elektrického signálu od odosielateľa k prijímaču. Elektrický signál je prenášaný napätím (často premenlivým napätím), ktoré sa vzťahuje na pevný potenciál, zvyčajne 0 V uzol označovaný ako "zem."

Jeden vodič nesie signál a jeden vodič nesie spoločný referenčný potenciál. Prúd spojený so signálom prechádza od vysielača k prijímaču a vracia sa do napájacieho zdroja cez uzemnenie. Ak sa prenáša viacero signálov, obvod bude vyžadovať jeden vodič pre každý signál plus jedno spoločné uzemnenie; teda napríklad 16 signálov môže byť prenášaných pomocou 17 vodičov.

 

Jednostranná topológia

Diferenciálna signalizácia

Diferenciálna signalizácia, ktorá je menej bežná ako signalizácia s jedným zakončením, využíva dva komplementárne napäťové signály na prenos jedného informačného signálu. Takže jeden informačný signál vyžaduje pár vodičov; jeden nesie signál a druhý nesie obrátený signál.

 

Jednostranný vs. diferenciál: Všeobecný časový diagram

 

Prijímač extrahuje informácie zisťovaním potenciálneho rozdielu medzi invertovanými a neinvertovanými signálmi. Dva napäťové signály sú "vyvážené", čo znamená, že majú rovnakú amplitúdu a opačnú polaritu vzhľadom na napätie v bežnom režime. Spätné prúdy spojené s týmito napätiami sú tiež vyvážené a tým sa navzájom rušia; z tohto dôvodu môžeme povedať, že diferenciálne signály majú (v ideálnom prípade) nulový prúd pretekajúci zemným spojením.

Pri diferenciálnej signalizácii nemusia vysielač a prijímač nevyhnutne zdieľať spoločnú zemnú referenciu. Použitie diferenciálnej signalizácie však neznamená, že rozdiely v potenciáli zeme medzi vysielačom a prijímačom nemajú žiadny vplyv na činnosť obvodu.

Ak sa prenáša viacero signálov, na každý signál sú potrebné dva vodiče a často je potrebné alebo aspoň výhodné zahrnúť uzemnenie, aj keď sú všetky signály rozdielne. Napríklad na prenos 16 signálov by bolo potrebných 33 vodičov (v porovnaní so 17 pri prenose s jedným koncom). To ukazuje zjavnú nevýhodu diferenciálnej signalizácie.

 

Topológia diferenciálnej signalizácie

Výhody diferenciálnej signalizácie

Existujú však dôležité výhody diferenciálnej signalizácie, ktoré môžu viac než len kompenzovať zvýšený počet vodičov.

Žiadny spätný prúd

Keďže nemáme (v ideálnom prípade) žiadny spätný prúd, zemná referencia je menej dôležitá. Zemný potenciál môže byť dokonca odlišný u vysielača a prijímača alebo sa môže pohybovať v určitom prijateľnom rozsahu. Musíte však byť opatrní, pretože diferenciálna signalizácia spojená s jednosmerným prúdom (napríklad USB, RS-485, CAN) vo všeobecnosti vyžaduje zdieľaný zemný potenciál, aby sa zabezpečilo, že signály zostanú v rámci maximálneho a minimálneho povoleného napätia bežného režimu rozhrania.

Odolnosť voči prichádzajúcemu EMI a presluchom

Ak je EMI (elektromagnetické rušenie) alebo presluchy (tj EMI generované blízkymi signálmi) zavedené zvonku diferenciálnych vodičov, pripočítajú sa rovnako k invertovanému aj neinvertovanému signálu. Prijímač reaguje na rozdiel v napätí medzi dvoma signálmi a nie na jednopólové (tj zemné) napätie, a preto obvody prijímača výrazne znížia amplitúdu rušenia alebo presluchu.

To je dôvod, prečo sú diferenciálne signály menej citlivé na EMI, presluchy alebo akýkoľvek iný šum, ktorý sa spája s oboma signálmi diferenciálneho páru.

Zníženie odchádzajúceho EMI a presluchov

Rýchle prechody, ako sú stúpajúce a klesajúce hrany digitálnych signálov, môžu generovať značné množstvo EMI. Jednostranné aj diferenciálne signály generujú EMI, ale dva signály v diferenciálnom páre vytvoria elektromagnetické polia, ktoré majú (v ideálnom prípade) rovnakú veľkosť, ale opačnú polaritu. To v spojení s technikami, ktoré udržiavajú tesnú blízkosť medzi dvoma vodičmi (ako je použitie krúteného párového kábla), zaisťuje, že emisie z dvoch vodičov sa budú do značnej miery navzájom rušiť.

Prevádzka pri nízkom napätí

Signály s jedným zakončením musia udržiavať relatívne vysoké napätie, aby sa zabezpečil primeraný pomer signálu k šumu (SNR). Bežné napätia rozhrania s jedným zakončením sú 3.3 V a 5 V. Kvôli zlepšenej odolnosti voči šumu môžu diferenciálne signály používať nižšie napätia a stále si zachovávajú adekvátny SNR. Tiež SNR diferenciálnej signalizácie sa automaticky zvýši o faktor dva vzhľadom na ekvivalentnú implementáciu s jedným koncom, pretože dynamický rozsah v diferenciálnom prijímači je dvakrát taký vysoký ako dynamický rozsah každého signálu v rámci diferenciálneho páru.

Schopnosť úspešne prenášať dáta pomocou nižšieho napätia signálu má niekoľko dôležitých výhod:

• Môžu sa použiť nižšie napájacie napätia.
• Menšie prechody napätia
  • zníženie vyžarovaného EMI,
  • znížiť spotrebu energie a
  • umožňujú vyššie prevádzkové frekvencie.

Vysoký alebo nízky stav a presné časovanie

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako presne rozhodujeme, či je signál v logickom vysokom alebo logickom nízkom stave? V jednopólových systémoch musíme zvážiť napájacie napätie, prahové charakteristiky obvodov prijímača, možno hodnotu referenčného napätia. A samozrejme existujú variácie a tolerancie, ktoré vnášajú ďalšiu neistotu do otázky logika-vysoká-alebo-logika-nízka.

V diferenciálnych signáloch je určenie logického stavu jednoduchšie. Ak je napätie neinvertovaného signálu vyššie ako napätie invertovaného signálu, máte logické vysoké napätie. Ak je neinvertované napätie nižšie ako invertované napätie, máte logicky nízke. A prechod medzi týmito dvoma stavmi je bod, v ktorom sa pretínajú neinvertované a invertované signály – tj bod kríženia.

To je jeden z dôvodov, prečo je dôležité zladiť dĺžky vodičov alebo stôp prenášajúcich diferenciálne signály: Pre maximálnu presnosť časovania chcete, aby bod kríženia presne zodpovedal logickému prechodu, ale keď dva vodiče v páre nie sú rovnaké dĺžky, rozdiel v oneskorení šírenia spôsobí posun bodu prechodu.

použitie

V súčasnosti existuje veľa štandardov rozhrania, ktoré využívajú diferenciálne signály. Patria sem nasledujúce položky:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)
• CML (logika aktuálneho režimu)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Vysoko kvalitný vyvážený zvuk

Je zrejmé, že teoretické výhody diferenciálnej signalizácie boli potvrdené praktickým využitím v nespočetných aplikáciách v reálnom svete.

Základné techniky PCB pre smerovanie diferenciálnych stôp

Nakoniec sa naučíme základy toho, ako sú diferenciálne stopy smerované na PCB. Smerovanie diferenciálnych signálov môže byť trochu zložité, ale existuje niekoľko základných pravidiel, vďaka ktorým je tento proces priamočiarejší.

Zosúladenie dĺžky a dĺžky – majte to rovnaké!

Diferenciálne signály majú (v ideálnom prípade) rovnakú veľkosť a opačnú polaritu. V ideálnom prípade teda zemou nepreteká žiadny čistý spätný prúd. Táto absencia spätného prúdu je dobrá vec, takže chceme, aby bolo všetko čo najideálnejšie, a to znamená, že potrebujeme rovnaké dĺžky pre dve stopy v diferenciálnom páre.

Čím vyšší je čas nábehu/zostupu vášho signálu (nezamieňajte si s frekvenciou signálu), tým viac musíte zabezpečiť, aby stopy mali rovnakú dĺžku. Váš program rozloženia môže obsahovať funkciu, ktorá vám pomôže doladiť dĺžku stôp pre diferenciálne páry. Ak máte problém dosiahnuť rovnakú dĺžku, môžete použiť techniku ​​„meandru“.

 

Príklad meandrovej stopy

Šírka a medzery – udržujte ich konštantné!

Čím bližšie sú diferenciálne vodiče, tým lepšie bude spojenie signálov. Generované EMI bude účinnejšie rušiť a prijaté EMI sa bude rovnomernejšie spájať do oboch signálov. Skúste ich teda poriadne priblížiť.

Diferenciálne párové vodiče by ste mali viesť čo najďalej od susedných signálov, aby ste predišli rušeniu. Šírka a priestor medzi vašimi stopami by sa mali zvoliť podľa cieľovej impedancie a mali by zostať konštantné po celej dĺžke stôp. Takže ak je to možné, stopy by mali zostať paralelné, keď sa pohybujú okolo PCB.

Impedancia – minimalizujte odchýlky!

Jednou z najdôležitejších vecí, ktoré musíte urobiť pri navrhovaní PCB s diferenciálnymi signálmi, je zistiť cieľovú impedanciu pre vašu aplikáciu a podľa toho rozložiť diferenciálne páry. Tiež udržujte odchýlky impedancie čo najmenšie.

Impedancia vášho diferenciálneho vedenia závisí od faktorov, ako je šírka stopy, spojenie stôp, hrúbka medi a materiál PCB a vrstvenie. Zvážte každý z nich, keď sa budete snažiť vyhnúť všetkému, čo mení impedanciu vášho diferenciálneho páru.

Nesmerujte vysokorýchlostné signály cez medzeru medzi medenými oblasťami na rovinnej vrstve, pretože to tiež ovplyvňuje vašu impedanciu. Pokúste sa vyhnúť diskontinuite v pozemných rovinách.

Odporúčania týkajúce sa rozloženia – prečítajte si, analyzujte a prehodnoťte ich!

A v neposlednom rade je tu jedna veľmi dôležitá vec, ktorú musíte urobiť pri smerovaní rozdielových stôp: Získajte údajový list a/alebo aplikačné poznámky pre čip, ktorý odosiela alebo prijíma diferenciálny signál, prečítajte si odporúčania rozloženia a analyzujte ich tesne. Týmto spôsobom môžete implementovať najlepšie možné rozloženie v rámci obmedzení konkrétneho dizajnu.

záver

Diferenciálna signalizácia nám umožňuje prenášať informácie s nižším napätím, dobrým SNR, zlepšenou odolnosťou voči šumu a vyššou dátovou rýchlosťou. Na druhej strane sa zvyšuje počet vodičov a systém bude potrebovať špecializované vysielače a prijímače namiesto štandardných digitálnych integrovaných obvodov.

V súčasnosti sú diferenciálne signály súčasťou mnohých štandardov, vrátane LVDS, USB, CAN, RS-485 a Ethernet, a preto by sme všetci mali byť (prinajmenšom) oboznámení s touto technológiou. Ak skutočne navrhujete dosku plošných spojov s diferenciálnymi signálmi, nezabudnite si prečítať príslušné technické listy a poznámky k aplikácii a ak je to potrebné, prečítajte si tento článok znova!

Zanechajte správu 

zoznam správ