Osnove: jednostruka i diferencijalna signalizacija

Prvo, moramo naučiti neke osnove o tome što je jednosmjerna signalizacija prije nego što pređemo na diferencijalnu signalizaciju i njene karakteristike.

Jednostruka signalizacija

Jednostruka signalizacija je jednostavan i uobičajen način prijenosa električnog signala od pošiljatelja do primatelja. Električni signal se prenosi naponom (često promjenjivim naponom), koji se odnosi na fiksni potencijal, obično čvor od 0 V koji se naziva "uzemljenje".

Jedan vodič nosi signal, a jedan vodič nosi zajednički referentni potencijal. Struja povezana sa signalom putuje od pošiljatelja do prijemnika i vraća se u napajanje putem uzemljenja. Ako se prenosi više signala, krug će zahtijevati jedan vodič za svaki signal plus jednu zajedničku vezu uzemljenja; tako se, na primjer, može prenijeti 16 signala pomoću 17 vodiča.

 

Jednostruka topologija

Diferencijalna signalizacija

Diferencijalna signalizacija, koja je rjeđa od jednosmjerne signalizacije, koristi dva komplementarna signala napona za prijenos jednog informacijskog signala. Dakle, jedan informacijski signal zahtijeva par vodiča; jedan nosi signal, a drugi nosi obrnuti signal.

 

Jednostruki vs. diferencijal: Generički vremenski dijagram

 

Prijemnik izdvaja informacije otkrivajući potencijalnu razliku između invertiranih i neinvertiranih signala. Dva naponska signala su "uravnotežena", što znači da imaju jednaku amplitudu i suprotan polaritet u odnosu na zajednički napon. Povratne struje povezane s tim naponima također su uravnotežene i tako se međusobno poništavaju; iz tog razloga možemo reći da diferencijalni signali imaju (idealno) nultu struju koja teče kroz spoj uzemljenja.

S diferencijalnom signalizacijom, pošiljatelj i primatelj ne dijele nužno zajedničku referencu uzemljenja. Međutim, korištenje diferencijalne signalizacije ne znači da razlike u potencijalu uzemljenja između pošiljatelja i primatelja nemaju utjecaja na rad kruga.

Ako se prenosi više signala, za svaki signal su potrebna dva vodiča, a često je potrebno ili barem korisno uključiti uzemljenje, čak i kada su svi signali diferencijalni. Tako bi, na primjer, za prijenos 16 signala bila potrebna 33 vodiča (u usporedbi sa 17 za prijenos s jednim krajem). Ovo pokazuje očiti nedostatak diferencijalne signalizacije.

 

Topologija diferencijalne signalizacije

Prednosti diferencijalne signalizacije

Međutim, postoje važne prednosti diferencijalne signalizacije koje mogu više nego kompenzirati povećani broj vodiča.

Nema povratne struje

Budući da (idealno) nemamo povratnu struju, referenca uzemljenja postaje manje važna. Potencijal tla može čak biti različit kod pošiljatelja i primatelja ili se kretati unutar određenog prihvatljivog raspona. Međutim, morate biti oprezni jer DC-spojena diferencijalna signalizacija (kao što je USB, RS-485, CAN) općenito zahtijeva zajednički potencijal uzemljenja kako bi se osiguralo da signali ostanu unutar maksimalnog i minimalnog dopuštenog zajedničkog napona sučelja.

Otpornost na dolazni EMI i preslušavanje

Ako se EMI (elektromagnetska smetnja) ili preslušavanje (tj. EMI generiran od strane signala u blizini) unese izvan diferencijalnih vodiča, dodaje se jednako na invertirani i neinvertirani signal. Prijemnik reagira na razliku u naponu između dva signala, a ne na jednosmjerni (tj. na uzemljenje) napon, i stoga će sklop prijamnika uvelike smanjiti amplitudu smetnji ili preslušavanja.

To je razlog zašto su diferencijalni signali manje osjetljivi na EMI, preslušavanje ili bilo koji drugi šum koji se spaja u oba signala diferencijalnog para.

Smanjenje odlaznih EMI i preslušavanja

Brzi prijelazi, poput rastućih i padajućih rubova digitalnih signala, mogu generirati značajne količine EMI. I jednostruki i diferencijalni signali generiraju EMI, ali dva signala u diferencijalnom paru stvarat će elektromagnetska polja koja su (idealno) jednaka po veličini, ali suprotna po polarnosti. Ovo, u kombinaciji s tehnikama koje održavaju blisku blizinu između dva vodiča (kao što je korištenje kabela s upredenom paricom), osigurava da će se emisije iz dva vodiča u velikoj mjeri međusobno poništiti.

Rad na niskom naponu

Jednostruki signali moraju održavati relativno visok napon kako bi se osigurao odgovarajući omjer signal-šum (SNR). Uobičajeni naponi jednostranog sučelja su 3.3 V i 5 V. Zbog svoje poboljšane otpornosti na šum, diferencijalni signali mogu koristiti niže napone i još uvijek održavati odgovarajući SNR. Također, SNR diferencijalne signalizacije se automatski povećava za faktor dva u odnosu na ekvivalentnu single-end implementaciju, jer je dinamički raspon na diferencijalnom prijemniku dvostruko veći od dinamičkog raspona svakog signala unutar diferencijalnog para.

Mogućnost uspješnog prijenosa podataka korištenjem nižih napona signala dolazi s nekoliko važnih prednosti:

• Mogu se koristiti niži naponi napajanja.
• Manji prijelazi napona
  • smanjiti zračenja EMI,
  • smanjiti potrošnju energije, i
  • omogućuju veće radne frekvencije.

Visoko ili nisko stanje i precizno mjerenje vremena

Jeste li se ikada zapitali kako točno odlučujemo je li signal u logičkom visokom ili logičkom niskom stanju? U jednostrukim sustavima moramo uzeti u obzir napon napajanja, granične karakteristike sklopa prijemnika, možda vrijednost referentnog napona. I naravno, postoje varijacije i tolerancije, koje unose dodatnu nesigurnost u pitanje logičke visoke ili logičke niske.

U diferencijalnim signalima određivanje logičkog stanja je jednostavnije. Ako je napon neinvertiranog signala veći od napona invertiranog signala, imate visoku logiku. Ako je neinvertirani napon niži od invertnog napona, logički je nizak. A prijelaz između dva stanja je točka u kojoj se sijeku neobrnuti i invertirani signali—tj. točka križanja.

Ovo je jedan od razloga zašto je važno uskladiti duljine žica ili tragova koji nose diferencijalne signale: za maksimalnu preciznost vremena, želite da točka križanja točno odgovara logičkom prijelazu, ali kada dva vodiča u paru nisu jednaka duljine, razlika u kašnjenju propagacije će uzrokovati pomak točke križanja.

Aplikacije

Trenutno postoji mnogo standarda sučelja koji koriste diferencijalne signale. To uključuje sljedeće:

• LVDS (niskonaponska diferencijalna signalizacija)
• CML (logika trenutnog načina)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Izbalansiran zvuk visoke kvalitete

Jasno je da su teorijske prednosti diferencijalne signalizacije potvrđene praktičnom uporabom u bezbrojnim primjenama u stvarnom svijetu.

Osnovne PCB tehnike za usmjeravanje diferencijalnih tragova

Konačno, naučimo osnove kako se diferencijalni tragovi usmjeravaju na PCB-ima. Usmjeravanje diferencijalnih signala može biti malo složeno, ali postoje neka osnovna pravila koja proces čine jednostavnijim.

Usklađivanje duljine i duljine – neka bude jednaka!

Diferencijalni signali su (idealno) jednaki po veličini i suprotni po polarnosti. Dakle, u idealnom slučaju, povratna struja neće teći kroz zemlju. Ovaj nedostatak povratne struje je dobra stvar, tako da želimo sve održati što je moguće idealnijim, a to znači da su nam potrebne jednake duljine za dva traga u diferencijalnom paru.

Što je duže vrijeme porasta/pada vašeg signala (ne treba se miješati s frekvencijom signala), to više morate osigurati da tragovi imaju identičnu duljinu. Vaš program izgleda može sadržavati značajku koja vam pomaže da fino podesite duljinu tragova za diferencijalne parove. Ako imate poteškoća s postizanjem jednake duljine, možete koristiti tehniku ​​"meander".

 

Primjer vijugavog traga

Širina i razmak – neka budu konstantni!

Što su diferencijalni vodiči bliže, to će biti bolje spajanje signala. Generirani EMI će se učinkovitije poništiti, a primljeni EMI će se više upariti u oba signala. Stoga ih pokušajte stvarno zbližiti.

Vodiče diferencijalnih parova trebate usmjeriti što dalje od susjednih signala kako biste izbjegli smetnje. Širina i razmak između vaših tragova trebali bi biti odabrani prema ciljnoj impedanciji i trebali bi ostati konstantni tijekom cijele duljine tragova. Dakle, ako je moguće, tragovi bi trebali ostati paralelni dok putuju oko PCB-a.

Impedancija – minimizirajte varijacije!

Jedna od najvažnijih stvari koje trebate učiniti pri projektiranju PCB-a s diferencijalnim signalima je saznati ciljnu impedanciju za vašu aplikaciju, a zatim prema tome rasporediti svoje diferencijalne parove. Također, neka varijacije impedancije budu što manje.

Impedancija vaše diferencijalne linije ovisi o čimbenicima kao što su širina traga, spajanje tragova, debljina bakra, te materijal PCB-a i slaganje slojeva. Razmotrite svaki od njih dok pokušavate izbjeći sve što mijenja impedanciju vašeg diferencijalnog para.

Nemojte usmjeravati signale velike brzine preko razmaka između bakrenih područja na ravnom sloju, jer to također utječe na vašu impedanciju. Pokušajte izbjeći diskontinuitete u tlocrtima.

Preporuke za izgled – pročitajte, analizirajte i razmislite o njima!

I, na kraju, ali ne i najmanje važno, postoji jedna vrlo važna stvar koju morate učiniti kada usmjeravate diferencijalne tragove: nabavite podatkovnu tablicu i/ili bilješke o aplikaciji za čip koji šalje ili prima diferencijalni signal, pročitajte preporuke za raspored i analizirajte njima blisko. Na taj način možete implementirati najbolji mogući izgled unutar ograničenja određenog dizajna.

Zaključak

Diferencijalna signalizacija omogućuje nam prijenos informacija s nižim naponima, dobrim SNR-om, poboljšanom otpornošću na buku i većim brzinama podataka. S druge strane, broj vodiča se povećava, a sustav će trebati specijalizirane odašiljače i prijemnike umjesto standardnih digitalnih IC-a.

Danas su diferencijalni signali dio mnogih standarda, uključujući LVDS, USB, CAN, RS-485 i Ethernet, i stoga bismo svi trebali (u najmanju ruku) biti upoznati s ovom tehnologijom. Ako zapravo projektirate PCB s diferencijalnim signalima, ne zaboravite pregledati relevantne podatkovne tablice i bilješke o aplikacijama i ako je potrebno ponovno pročitajte ovaj članak!

Ostavite poruku 

Lista Poruka