Основы: несимметричная и дифференциальная передача сигналов

Во-первых, мы должны изучить некоторые основы того, что такое несимметричная передача сигналов, прежде чем мы сможем перейти к дифференциальной передаче сигналов и ее характеристикам.

Односторонняя сигнализация

Несимметричная сигнализация — это простой и распространенный способ передачи электрического сигнала от отправителя к получателю. Электрический сигнал передается напряжением (часто переменным напряжением), которое относится к фиксированному потенциалу, обычно узлу 0 В, называемому «землей».

Один проводник несет сигнал, а другой проводник несет общий опорный потенциал. Ток, связанный с сигналом, проходит от отправителя к получателю и возвращается к источнику питания через заземление. Если передается несколько сигналов, в цепи потребуется один проводник для каждого сигнала плюс одно общее заземление; таким образом, например, по 16 проводникам можно передать 17 сигналов.

 

Несимметричная топология

Дифференциальная сигнализация

Дифференциальная сигнализация, которая встречается реже, чем несимметричная сигнализация, использует два дополнительных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Итак, один информационный сигнал требует пары проводов; один передает сигнал, а другой - инвертированный сигнал.

 

Несимметричный и дифференциальный: общая временная диаграмма

 

Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированным и неинвертированным сигналами. Два сигнала напряжения «сбалансированы», что означает, что они имеют одинаковую амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине мы можем сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток, протекающий через заземление.

При дифференциальной передаче сигналов отправитель и получатель не обязательно имеют общее заземление. Однако использование дифференциальной сигнализации не означает, что разность потенциалов земли между отправителем и получателем не влияет на работу схемы.

Если передаются несколько сигналов, для каждого сигнала требуется два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, целесообразно включать заземление, даже если все сигналы являются дифференциальными. Так, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (по сравнению с 17 для односторонней передачи). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной сигнализации.

 

Топология дифференциальной сигнализации

Преимущества дифференциальной сигнализации

Однако есть важные преимущества дифференциальной сигнализации, которые могут более чем компенсировать увеличенное количество проводников.

Нет обратного тока

Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, ссылка на землю становится менее важной. Потенциал земли может даже быть разным у отправителя и получателя или перемещаться в пределах определенного допустимого диапазона. Однако необходимо соблюдать осторожность, поскольку для дифференциальной передачи сигналов со связью по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требуется общий потенциал земли, чтобы сигналы оставались в пределах максимального и минимального допустимого синфазного напряжения интерфейса.

Устойчивость к входящим электромагнитным помехам и перекрестным помехам

Если электромагнитные помехи (электромагнитные помехи) или перекрестные помехи (т. е. электромагнитные помехи, генерируемые соседними сигналами) вводятся снаружи дифференциальных проводников, они в равной степени добавляются к инвертированному и неинвертированному сигналу. Приемник реагирует на разницу в напряжении между двумя сигналами, а не на несимметричное (т. е. относительно земли) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно снижает амплитуду помех или перекрестных помех.

Вот почему дифференциальные сигналы менее чувствительны к электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любому другому шуму, который накладывается на оба сигнала дифференциальной пары.

Снижение исходящих электромагнитных помех и перекрестных помех

Быстрые переходы, такие как нарастающие и спадающие фронты цифровых сигналов, могут генерировать значительное количество электромагнитных помех. И несимметричные, и дифференциальные сигналы генерируют электромагнитные помехи, но два сигнала в дифференциальной паре будут создавать электромагнитные поля, которые (в идеале) равны по величине, но противоположны по полярности. Это, в сочетании с методами, обеспечивающими непосредственную близость между двумя проводниками (такими как использование кабеля с витой парой), гарантирует, что излучения от двух проводников будут в значительной степени компенсировать друг друга.

Работа при низком напряжении

Несимметричные сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение, чтобы обеспечить адекватное отношение сигнал/шум (SNR). Обычные несимметричные интерфейсные напряжения составляют 3.3 В и 5 В. Из-за их повышенной устойчивости к шуму дифференциальные сигналы могут использовать более низкие напряжения и при этом поддерживать адекватное отношение сигнал/шум. Кроме того, отношение сигнал/шум дифференциальной сигнализации автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной несимметричной реализацией, поскольку динамический диапазон дифференциального приемника в два раза превышает динамический диапазон каждого сигнала в дифференциальной паре.

Возможность успешной передачи данных при более низком напряжении сигнала имеет несколько важных преимуществ:

• Можно использовать более низкое напряжение питания.
• Меньшие переходы напряжения
  • уменьшить излучаемые электромагнитные помехи,
  • снизить энергопотребление и
  • учитывают более высокие рабочие частоты.

Высокое или низкое состояние и точное время

Вы когда-нибудь задумывались, как именно мы определяем, находится ли сигнал в состоянии высокого или низкого логического уровня? В несимметричных системах мы должны учитывать напряжение источника питания, пороговые характеристики схемы приемника, возможно, значение опорного напряжения. И, конечно же, существуют вариации и допуски, которые вносят дополнительную неопределенность в вопрос о высоком или низком уровне логики.

В дифференциальных сигналах определение логического состояния более прямолинейно. Если напряжение неинвертированного сигнала выше, чем напряжение инвертированного сигнала, у вас высокий логический уровень. Если неинвертированное напряжение ниже инвертированного, у вас низкий логический уровень. А переход между двумя состояниями — это точка, в которой пересекаются неинвертированный и инвертированный сигналы, т. е. точка пересечения.

Это одна из причин, по которой важно согласовывать длины проводов или дорожек, несущих дифференциальные сигналы: для максимальной точности синхронизации вы хотите, чтобы точка кроссовера точно соответствовала логическому переходу, но когда два проводника в паре не равны длины, разница в задержке распространения вызовет смещение точки кроссовера.

Приложения

В настоящее время существует множество стандартов интерфейсов, в которых используются дифференциальные сигналы. К ним относятся следующие:

• LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация)
• CML (логика текущего режима)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Качественный сбалансированный звук

Очевидно, что теоретические преимущества дифференциальной сигнализации подтверждены практическим применением в бесчисленных реальных приложениях.

Основные методы печатной платы для разводки дифференциальных дорожек

Наконец, давайте изучим основы разводки дифференциальных дорожек на печатных платах. Маршрутизация дифференциальных сигналов может быть немного сложной, но есть несколько основных правил, которые делают этот процесс более простым.

Соответствие длины и длины – соблюдайте равенство!

Дифференциальные сигналы (в идеале) равны по величине и противоположны по полярности. Таким образом, в идеальном случае через землю не будет протекать чистый обратный ток. Это отсутствие обратного тока — хорошая вещь, поэтому мы хотим, чтобы все было как можно лучше, а это значит, что нам нужны равные длины для двух дорожек в дифференциальной паре.

Чем больше время нарастания/спада вашего сигнала (не путать с частотой сигнала), тем больше вы должны обеспечить одинаковую длину трасс. Ваша программа компоновки может включать функцию, помогающую точно настроить длину трасс для дифференциальных пар. Если у вас возникли трудности с достижением одинаковой длины, вы можете использовать технику «меандр».

 

Пример извилистого следа

Ширина и интервал - сохраняйте постоянство!

Чем ближе дифференциальные проводники, тем лучше будет связь сигналов. Генерируемые электромагнитные помехи будут компенсироваться более эффективно, а полученные электромагнитные помехи будут более равномерно связаны с обоими сигналами. Поэтому постарайтесь свести их очень близко друг к другу.

Вы должны прокладывать проводники дифференциальной пары как можно дальше от соседних сигналов, чтобы избежать помех. Ширина и расстояние между вашими дорожками должны быть выбраны в соответствии с целевым импедансом и должны оставаться постоянными по всей длине трасс. Поэтому, если это возможно, дорожки должны оставаться параллельными при движении по печатной плате.

Импеданс – минимизируйте вариации!

Одна из самых важных вещей, которые нужно сделать при проектировании печатной платы с дифференциальными сигналами, — это выяснить целевое сопротивление для вашего приложения, а затем соответствующим образом расположить дифференциальные пары. Кроме того, следите за тем, чтобы колебания импеданса были как можно меньше.

Импеданс вашей дифференциальной линии зависит от таких факторов, как ширина дорожки, соединение дорожек, толщина меди, а также материал печатной платы и наложение слоев. Учитывайте каждый из них, пытаясь избежать всего, что изменяет импеданс вашей дифференциальной пары.

Не направляйте высокоскоростные сигналы через зазор между медными областями на плоском слое, потому что это также влияет на ваше сопротивление. Старайтесь избегать разрывов в наземных плоскостях.

Рекомендации по макету - прочтите, проанализируйте и вдумайтесь в них!

И, наконец, что не менее важно, есть одна очень важная вещь, которую вы должны сделать при маршрутизации дифференциальных трасс: получить техническое описание и / или примечания по применению для микросхемы, которая отправляет или принимает дифференциальный сигнал, прочитать рекомендации по компоновке и проанализировать их внимательно. Таким образом, вы можете реализовать наилучший макет в рамках ограничений конкретного дизайна.

Заключение

Дифференциальная сигнализация позволяет нам передавать информацию с более низким напряжением, хорошим соотношением сигнал / шум, улучшенной помехоустойчивостью и более высокой скоростью передачи данных. С другой стороны, количество проводников увеличивается, и системе потребуются специализированные передатчики и приемники вместо стандартных цифровых ИС.

В настоящее время дифференциальные сигналы являются частью многих стандартов, включая LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и поэтому все мы должны быть (по крайней мере) знакомы с этой технологией. Если вы на самом деле разрабатываете печатную плату с дифференциальными сигналами, не забудьте ознакомиться с соответствующими таблицами данных и примечаниями к приложениям, а при необходимости прочитайте эту статью еще раз!

Оставить сообщение 

Список сообщений