Põhitõed: ühe otsaga ja diferentsiaalsignalisatsioon

Esiteks peame õppima mõned põhitõed selle kohta, mis on üheotsaline signalisatsioon, enne kui saame diferentsiaalsignalisatsiooni ja selle omadused üle vaadata.

Ühe otsaga signaalimine

Ühe otsaga signaalimine on lihtne ja levinud viis elektrilise signaali edastamiseks saatjalt vastuvõtjale. Elektriline signaal edastatakse pingega (sageli muutuva pingega), mis on viidatud fikseeritud potentsiaalile, tavaliselt 0 V sõlmele, mida nimetatakse maanduseks.

Üks juht kannab signaali ja üks juhe ühist tugipotentsiaali. Signaaliga seotud vool liigub saatjalt vastuvõtjale ja naaseb maandusühenduse kaudu toiteallikasse. Kui edastatakse mitu signaali, vajab vooluahel iga signaali jaoks ühte juhti pluss üht jagatud maandusühendust; seega saab näiteks 16 juhtme abil edastada 17 signaali.

 

Ühe otsaga topoloogia

Diferentsiaalsignalisatsioon

Diferentsiaalsignalisatsioon, mis on vähem levinud kui ühe otsaga signaalimine, kasutab ühe infosignaali edastamiseks kahte täiendavat pingesignaali. Nii et ühe infosignaali jaoks on vaja paari juhtmeid; üks kannab signaali ja teine ​​pöörab signaali.

 

Ühe otsaga vs diferentsiaal: üldine ajastusskeem

 

Vastuvõtja eraldab teabe, tuvastades potentsiaalse erinevuse ümberpööratud ja mitte-inverteeritud signaalide vahel. Need kaks pingesignaali on "tasakaalustatud", mis tähendab, et neil on võrdne amplituud ja vastupidine polaarsus tavarežiimi pinge suhtes. Nende pingetega seotud tagasivoolud on samuti tasakaalustatud ja seega tühistavad üksteist; sel põhjusel võime öelda, et diferentsiaalsignaalidel on (ideaaljuhul) maandusühendust läbiv nullvool.

Diferentsiaalsignalisatsiooni puhul ei pruugi saatjal ja vastuvõtjal olla ühist maandusviidet. Diferentsiaalsignalisatsiooni kasutamine ei tähenda aga seda, et maanduspotentsiaali erinevused saatja ja vastuvõtja vahel ei mõjuta ahela tööd.

Kui edastatakse mitu signaali, on iga signaali jaoks vaja kahte juhti ja sageli on vajalik või vähemalt kasulik lisada maandusühendus, isegi kui kõik signaalid on diferentsiaalsed. Seega oleks näiteks 16 signaali edastamiseks vaja 33 juhti (võrreldes 17 ühe otsaga edastusega). See näitab diferentsiaalsignalisatsiooni ilmset puudust.

 

Diferentsiaalsignalisatsiooni topoloogia

Diferentsiaalsignalisatsiooni eelised

Siiski on diferentsiaalsignalisatsioonil olulisi eeliseid, mis võivad enam kui kompenseerida suurenenud juhtide arvu.

Tagastusvoolu puudub

Kuna meil pole (ideaaljuhul) tagasivoolu, muutub maandusviide vähem oluliseks. Maanduspotentsiaal võib olla isegi erinev saatjal ja vastuvõtjal või teatud vastuvõetavas vahemikus liikudes. Siiski peate olema ettevaatlik, kuna alalisvooluga ühendatud diferentsiaalsignalisatsioon (nt USB, RS-485, CAN) nõuab üldiselt jagatud maanduspotentsiaali, et tagada signaalide püsimine liidese maksimaalse ja minimaalse lubatud ühisrežiimi pinge piires.

Vastupidavus sissetulevale EMI-le ja läbikõnele

Kui väljastpoolt diferentsiaaljuhte sisestatakse EMI (elektromagnetilised häired) või ülekõla (st lähedalasuvate signaalide tekitatud EMI), lisatakse see võrdselt inverteeritud ja mitteinverteeritud signaalile. Vastuvõtja reageerib kahe signaali vahelisele pingeerinevusele, mitte ühe otsaga (st maapinnale viidatud) pingele ja seega vähendab vastuvõtja vooluring oluliselt häirete või ülekõla amplituudi.

See on põhjus, miks diferentsiaalsignaalid on vähem tundlikud EMI, ülekõnede või mis tahes muu müra suhtes, mis seostuvad diferentsiaalpaari mõlema signaaliga.

Väljuvate EMI ja Crosstalki vähendamine

Kiired üleminekud, näiteks digitaalsete signaalide tõusvad ja langevad servad, võivad tekitada märkimisväärses koguses EMI-d. Nii üheotsalised kui ka diferentsiaalsignaalid tekitavad EMI, kuid kaks diferentsiaalpaari signaali loovad elektromagnetvälju, mis on (ideaaljuhul) suuruselt võrdsed, kuid polaarsuselt vastupidised. See koos tehnikatega, mis säilitavad kahe juhtme vahetus läheduses (nt keerdpaarkaabli kasutamine), tagab, et kahe juhtme emissioonid katavad teineteist suuresti.

Madalama pingega töö

Ühe otsaga signaalid peavad säilitama suhteliselt kõrge pinge, et tagada piisav signaali-müra suhe (SNR). Levinud ühe otsaga liidese pinged on 3.3 V ja 5 V. Tänu oma paremale mürakindlusele võivad diferentsiaalsignaalid kasutada madalamat pinget ja säilitada siiski piisava SNR-i. Samuti suurendatakse diferentsiaalsignalisatsiooni SNR-i automaatselt kahekordse teguri võrra võrreldes samaväärse ühe otsaga teostusega, kuna diferentsiaalvastuvõtja dünaamiline ulatus on kaks korda suurem kui diferentsiaalpaari iga signaali dünaamiline ulatus.

Võimalusel edukalt andmeid edastada madalama signaalipingega on mõned olulised eelised:

• Võib kasutada madalamaid toitepingeid.
• Väiksemad pinge üleminekud
  • vähendada kiiritatud EMI-d,
  • vähendada energiatarbimist ja
  • võimaldavad kõrgemaid töösagedusi.

Kõrge või madal olek ja täpne ajastus

Kas olete kunagi mõelnud, kuidas me täpselt otsustame, kas signaal on loogiliselt kõrges või madalas olekus? Ühe otsaga süsteemides peame arvestama toitepingega, vastuvõtja vooluahela läviomadustega, võib-olla võrdluspinge väärtusega. Ja muidugi on variatsioone ja tolerantse, mis toovad loogika-kõrge või loogika-madal küsimusesse täiendavat ebakindlust.

Diferentsiaalsignaalide puhul on loogilise oleku määramine lihtsam. Kui mitte-inverteeritud signaali pinge on kõrgem kui inverteeritud signaali pinge, on teil loogika kõrge. Kui mitte-inverteeritud pinge on inverteeritud pingest madalam, on teil loogika madal. Ja üleminek kahe oleku vahel on punkt, kus mitte-inverteeritud ja ümberpööratud signaalid ristuvad, st ristmikul.

See on üks põhjus, miks on oluline sobitada diferentsiaalsignaale kandvate juhtmete või jälgede pikkused. Maksimaalse ajastuse täpsuse saavutamiseks soovite, et ristmik vastaks täpselt loogilisele üleminekule, kuid kui paaris olevad kaks juhti ei ole võrdsed. pikkus, põhjustab levimisviivituse erinevus ristmikul nihkumise.

Rakendused

Praegu on palju liidesestandardeid, mis kasutavad diferentsiaalsignaale. Need hõlmavad järgmist.

• LVDS (madalpinge diferentsiaalsignaal)
• CML (praeguse režiimi loogika)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Kvaliteetne tasakaalustatud heli

On selge, et diferentsiaalsignalisatsiooni teoreetilisi eeliseid on kinnitanud praktiline kasutamine lugematutes reaalsetes rakendustes.

Põhilised PCB-tehnikad diferentsiaaljälgede marsruutimiseks

Lõpuks tutvume põhitõdedega, kuidas diferentsiaaljälgi suunatakse PCB-dele. Diferentsiaalsignaalide marsruutimine võib olla pisut keeruline, kuid on mõned põhireeglid, mis muudavad protsessi lihtsamaks.

Pikkuse ja pikkuse sobitamine – hoidke seda võrdsena!

Diferentsiaalsignaalid on (ideaaljuhul) võrdse suurusega ja vastupidised polaarsusega. Seega ideaaljuhul puhast tagasivoolu läbi maapinna ei voola. Tagastusvoolu puudumine on hea, seega tahame hoida kõike võimalikult ideaalsena ja see tähendab, et vajame diferentsiaalpaari kahe jälje jaoks võrdseid pikkusi.

Mida kõrgem on teie signaali tõusu/languse aeg (mitte segi ajada signaali sagedusega), seda rohkem peate tagama, et jäljed oleksid identse pikkusega. Teie paigutusprogramm võib sisaldada funktsiooni, mis aitab teil diferentsiaalpaaride jälgede pikkust täpselt häälestada. Kui teil on raskusi võrdse pikkuse saavutamisega, võite kasutada "meander" tehnikat.

 

Näide looklevast jäljest

Laius ja vahekaugus – hoidke seda konstantsena!

Mida lähemal on diferentsiaaljuhid, seda parem on signaalide sidumine. Loodud EMI lülitub välja tõhusamalt ja vastuvõetud EMI seostub mõlema signaaliga võrdsemalt. Nii et proovige need üksteisele väga lähedale tuua.

Häirete vältimiseks tuleks diferentsiaalpaari juhtmed suunata naabersignaalidest võimalikult kaugele. Jälgede laius ja vaheline ruum tuleks valida vastavalt sihttakistusele ning see peaks jääma konstantseks kogu jälgede pikkuses. Nii et võimalusel peaksid jäljed PCB ümber liikudes jääma paralleelseks.

Takistus – minimeeri kõikumised!

Üks olulisemaid asju, mida teha diferentsiaalsignaalidega PCB projekteerimisel, on välja selgitada oma rakenduse sihttakistus ja seejärel paigutada diferentsiaalipaarid vastavalt. Samuti hoidke impedantsi kõikumised võimalikult väikesed.

Teie diferentsiaaljoone impedants sõltub sellistest teguritest nagu jälje laius, jälgede sidestus, vase paksus ning PCB materjal ja kihtide virnastus. Kaaluge kõiki neid, kui proovite vältida kõike, mis muudab teie diferentsiaalpaari takistust.

Ärge suunake kiireid signaale üle tasapinnalise kihi vase alade vahe, kuna see mõjutab ka teie impedantsi. Püüdke vältida katkestusi maapindadel.

Paigutussoovitused – lugege, analüüsige ja mõelge üle!

Ja lõpuks on üks väga oluline asi, mida peate diferentsiaaljälgede marsruutimisel tegema: hankige diferentsiaalsignaali saatva või vastuvõtva kiibi andmeleht ja/või rakenduse märkmed, lugege läbi paigutussoovitused ja analüüsige. neid tihedalt. Nii saate konkreetse disaini piirangute raames rakendada parima võimaliku paigutuse.

Järeldus

Diferentsiaalsignalisatsioon võimaldab meil edastada teavet madalama pinge, hea SNR-i, parema mürakindluse ja suurema andmeedastuskiirusega. Teisest küljest suureneb juhtide arv ja süsteem vajab standardsete digitaalsete IC-de asemel spetsiaalseid saatjaid ja vastuvõtjaid.

Tänapäeval on diferentsiaalsignaalid osa paljudest standarditest, sealhulgas LVDS, USB, CAN, RS-485 ja Ethernet, ning seega peaksime me kõik (vähemalt) selle tehnoloogiaga tuttavad olema. Kui projekteerite tegelikult diferentsiaalsignaalidega PCB-d, pidage meeles asjakohaseid andmelehti ja rakenduste märkusi ning vajadusel lugege seda artiklit uuesti!

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri