Podstawy: sygnalizacja jednokierunkowa i różnicowa

Po pierwsze, zanim przejdziemy do sygnalizacji różnicowej i jej charakterystyk, musimy nauczyć się podstaw, czym jest sygnalizacja typu single-ended.

Sygnalizacja jednostronna

Sygnalizacja typu single-ended to prosty i powszechny sposób przesyłania sygnału elektrycznego od nadawcy do odbiornika. Sygnał elektryczny jest przesyłany przez napięcie (często zmienne napięcie), które jest odniesione do stałego potencjału, zwykle węzła 0 V, określanego jako „uziemienie”.

Jeden przewodnik przenosi sygnał, a jeden przewodnik przenosi wspólny potencjał odniesienia. Prąd skojarzony z sygnałem przepływa od nadawcy do odbiornika i powraca do zasilania przez połączenie uziemiające. Jeśli przesyłanych jest wiele sygnałów, obwód będzie wymagał jednego przewodu dla każdego sygnału oraz jednego wspólnego połączenia uziemiającego; tak więc na przykład 16 sygnałów może być przesyłanych 17 przewodami.

 

Topologia z jednym końcem

Sygnalizacja różnicowa

Sygnalizacja różnicowa, która jest mniej powszechna niż sygnalizacja niesymetryczna, wykorzystuje dwa komplementarne sygnały napięciowe w celu przesłania jednego sygnału informacyjnego. Tak więc jeden sygnał informacyjny wymaga pary przewodników; jeden niesie sygnał, a drugi niesie sygnał odwrócony.

 

Single-ended vs. dyferencjał: Ogólny schemat taktowania

 

Odbiornik wydobywa informacje przez wykrywanie różnicy potencjałów między sygnałami odwróconymi i nieodwróconymi. Dwa sygnały napięciowe są „zrównoważone”, co oznacza, że ​​mają równą amplitudę i przeciwną polaryzację w stosunku do napięcia wspólnego. Prądy powrotne związane z tymi napięciami są również zrównoważone i w ten sposób znoszą się nawzajem; z tego powodu możemy powiedzieć, że sygnały różnicowe mają (idealnie) zerowy prąd przepływający przez połączenie uziemiające.

W przypadku sygnalizacji różnicowej nadawca i odbiorca niekoniecznie mają wspólne odniesienie do masy. Zastosowanie sygnalizacji różnicowej nie oznacza jednak, że różnice potencjałów masy pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem nie mają wpływu na pracę układu.

Jeśli przesyłanych jest wiele sygnałów, dla każdego sygnału potrzebne są dwa przewodniki i często konieczne lub przynajmniej korzystne jest podłączenie uziemienia, nawet jeśli wszystkie sygnały są różnicowe. Tak więc na przykład przesłanie 16 sygnałów wymagałoby 33 przewodów (w porównaniu z 17 w przypadku transmisji single-ended). To pokazuje oczywistą wadę sygnalizacji różnicowej.

 

Topologia sygnalizacji różnicowej

Korzyści z sygnalizacji różnicowej

Istnieją jednak ważne zalety sygnalizacji różnicowej, które mogą z nawiązką zrekompensować zwiększoną liczbę przewodów.

Brak prądu powrotnego

Ponieważ (idealnie) nie mamy prądu powrotnego, odniesienie do masy staje się mniej ważne. Potencjał uziemienia może być nawet różny dla nadajnika i odbiornika lub poruszania się w pewnym akceptowalnym zakresie. Należy jednak zachować ostrożność, ponieważ sygnalizacja różnicowa sprzężona prądem stałym (taka jak USB, RS-485, CAN) zazwyczaj wymaga wspólnego potencjału uziemienia, aby zapewnić, że sygnały pozostaną w zakresie maksymalnego i minimalnego dopuszczalnego napięcia wspólnego interfejsu.

Odporność na przychodzące EMI i przesłuchy

Jeśli EMI (zakłócenia elektromagnetyczne) lub przesłuchy (tj. EMI generowane przez pobliskie sygnały) są wprowadzane spoza przewodów różnicowych, są one dodawane w równym stopniu do odwróconego i nieodwróconego sygnału. Odbiornik reaguje na różnicę napięcia między dwoma sygnałami, a nie na napięcie niesymetryczne (tj. odniesione do masy), a zatem obwód odbiornika znacznie zmniejszy amplitudę zakłóceń lub przesłuchów.

Dlatego sygnały różnicowe są mniej wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne, przesłuchy lub inne zakłócenia, które łączą się w oba sygnały pary różnicowej.

Redukcja wychodzących zakłóceń EMI i przesłuchów

Szybkie przejścia, takie jak narastające i opadające zbocza sygnałów cyfrowych, mogą generować znaczne ilości zakłóceń elektromagnetycznych. Zarówno sygnały niesymetryczne, jak i różnicowe generują EMI, ale dwa sygnały w parze różnicowej będą wytwarzać pola elektromagnetyczne, które (idealnie) są równe co do wielkości, ale przeciwne w polaryzacji. To, w połączeniu z technikami, które utrzymują bliskość między dwoma przewodami (takimi jak użycie skrętki dwużyłowej), zapewnia, że ​​emisje z dwóch przewodów w dużej mierze znoszą się nawzajem.

Praca przy niższym napięciu

Sygnały o jednym końcu muszą utrzymywać stosunkowo wysokie napięcie, aby zapewnić odpowiedni stosunek sygnału do szumu (SNR). Typowe napięcia na interfejsach typu single-ended to 3.3 V i 5 V. Ze względu na lepszą odporność na zakłócenia, sygnały różnicowe mogą używać niższych napięć i nadal utrzymywać odpowiedni współczynnik SNR. Ponadto współczynnik SNR sygnalizacji różnicowej jest automatycznie zwiększany o współczynnik dwa w stosunku do równoważnej implementacji z jednym zakończeniem, ponieważ zakres dynamiczny w odbiorniku różnicowym jest dwa razy większy niż zakres dynamiczny każdego sygnału w parze różnicowej.

Możliwość pomyślnego przesyłania danych przy niższych napięciach sygnału ma kilka ważnych zalet:

• Można stosować niższe napięcia zasilania.
• Mniejsze zmiany napięcia
  • zmniejszyć promieniowanie EMI,
  • zmniejszyć zużycie energii i
  • pozwalają na wyższe częstotliwości pracy.

Wysoki lub niski stan i precyzyjne taktowanie

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak dokładnie decydujemy, czy sygnał jest w stanie logiki-wysokim czy logicznym-niskim? W systemach single-ended musimy wziąć pod uwagę napięcie zasilania, charakterystykę progową obwodu odbiornika, być może wartość napięcia odniesienia. I oczywiście istnieją wariacje i tolerancje, które wprowadzają dodatkową niepewność w kwestii logiki-wysokie-lub-niskie-logiki.

W sygnałach różnicowych określenie stanu logicznego jest prostsze. Jeśli napięcie sygnału nieodwróconego jest wyższe niż napięcie sygnału odwróconego, masz stan logiczny wysoki. Jeśli napięcie nieodwrócone jest niższe niż napięcie odwrócone, masz niską logikę. A przejście między tymi dwoma stanami to punkt, w którym przecinają się sygnały nieodwrócone i odwrócone, czyli punkt przecięcia.

Jest to jeden z powodów, dla których ważne jest dopasowanie długości przewodów lub ścieżek przenoszących sygnały różnicowe: Aby uzyskać maksymalną precyzję taktowania, chcesz, aby punkt przecięcia dokładnie odpowiadał przejściu logicznemu, ale gdy dwa przewodniki w parze nie są równe długość, różnica w opóźnieniu propagacji spowoduje przesunięcie punktu podziału.

Konsultacje

Obecnie istnieje wiele standardów interfejsów, które wykorzystują sygnały różnicowe. Należą do nich:

• LVDS (sygnalizacja różnicowa niskiego napięcia)
• CML (logika trybu bieżącego)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Zbalansowany dźwięk wysokiej jakości

Oczywiście teoretyczne zalety sygnalizacji różnicowej zostały potwierdzone przez praktyczne zastosowanie w niezliczonych rzeczywistych zastosowaniach.

Podstawowe techniki PCB do wyznaczania tras różnicowych

Na koniec nauczmy się podstaw trasowania ścieżek różnicowych na płytkach drukowanych. Routing sygnałów różnicowych może być nieco skomplikowany, ale istnieją pewne podstawowe zasady, które upraszczają ten proces.

Dopasowanie długości i długości — utrzymuj to samo!

Sygnały różnicowe są (idealnie) równe co do wielkości i przeciwne w polaryzacji. Zatem w idealnym przypadku prąd powrotny netto nie popłynie przez ziemię. Ten brak prądu powrotnego jest dobrą rzeczą, więc chcemy, aby wszystko było tak idealne, jak to tylko możliwe, a to oznacza, że ​​potrzebujemy równych długości dla dwóch śladów w parze różnicowej.

Im wyższy czas narastania/opadania sygnału (nie mylić z częstotliwością sygnału), tym bardziej musisz upewnić się, że ślady mają identyczną długość. Twój program do tworzenia układu może zawierać funkcję, która pomaga dostroić długość ścieżek dla par różnicowych. Jeśli masz trudności z osiągnięciem równej długości, możesz użyć techniki „meander”.

 

Przykład meandrującego śladu

Szerokość i odstępy — utrzymuj stały!

Im bliżej przewodników różnicowych, tym lepsze będzie sprzężenie sygnałów. Wygenerowane EMI będzie skuteczniej niwelować, a odebrane EMI będzie sprzęgać się w równym stopniu z obydwoma sygnałami. Więc spróbuj zbliżyć je do siebie.

Przewody par różnicowych należy poprowadzić jak najdalej od sąsiednich sygnałów, aby uniknąć zakłóceń. Szerokość i odstęp między śladami powinny być dobrane zgodnie z impedancją docelową i powinny być stałe na całej długości śladów. Więc jeśli to możliwe, ślady powinny pozostać równoległe podczas przemieszczania się po płytce drukowanej.

Impedancja – zminimalizuj różnice!

Jedną z najważniejszych rzeczy do zrobienia podczas projektowania PCB z sygnałami różnicowymi jest ustalenie docelowej impedancji dla aplikacji, a następnie odpowiednie rozplanowanie par różnicowych. Utrzymuj również jak najmniejsze wahania impedancji.

Impedancja twojej linii różnicowej zależy od takich czynników, jak szerokość ścieżki, sprzężenie ścieżek, grubość miedzi oraz materiał PCB i stos warstw. Rozważ każdą z nich, starając się uniknąć wszystkiego, co zmienia impedancję pary różnicowej.

Nie należy kierować szybkich sygnałów przez szczelinę między obszarami miedzi na warstwie płaskiej, ponieważ wpływa to również na impedancję. Staraj się unikać nieciągłości w płaszczyznach uziemienia.

Zalecenia dotyczące układu — czytaj, analizuj i przemyśl je!

I wreszcie, jest jedna bardzo ważna rzecz, którą musisz zrobić podczas routingu śladów różnicowych: uzyskać arkusz danych i/lub uwagi dotyczące aplikacji dla chipa, który wysyła lub odbiera sygnał różnicowy, przeczytać zalecenia dotyczące układu i przeanalizować je blisko. W ten sposób możesz zaimplementować najlepszy możliwy układ w ramach ograniczeń konkretnego projektu.

Wnioski

Sygnalizacja różnicowa pozwala nam przesyłać informacje przy niższych napięciach, dobrym współczynniku SNR, zwiększonej odporności na zakłócenia i wyższych szybkościach transmisji danych. Z drugiej strony, liczba przewodników wzrasta, a system będzie potrzebował wyspecjalizowanych nadajników i odbiorników zamiast standardowych cyfrowych układów scalonych.

W dzisiejszych czasach sygnały różnicowe są częścią wielu standardów, w tym LVDS, USB, CAN, RS-485 i Ethernet, dlatego wszyscy powinniśmy (przynajmniej) znać tę technologię. Jeśli faktycznie projektujesz płytkę drukowaną z sygnałami różnicowymi, pamiętaj, aby zapoznać się z odpowiednimi arkuszami danych i uwagami do aplikacji, a jeśli to konieczne, ponownie przeczytaj ten artykuł!

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów