Základy: Jednostranná a diferenciální signalizace

Nejprve se musíme naučit některé základy o tom, co je signalizace s jedním koncem, než se pustíme do diferenciální signalizace a jejích charakteristik.

Signalizace s jedním koncem

Jednostranná signalizace je jednoduchý a běžný způsob přenosu elektrického signálu od odesílatele k přijímači. Elektrický signál je přenášen napětím (často proměnným napětím), které je vztaženo k pevnému potenciálu, obvykle 0 V uzlu označovanému jako "zem."

Jeden vodič nese signál a jeden vodič společný referenční potenciál. Proud spojený se signálem prochází od vysílače k ​​přijímači a vrací se do napájecího zdroje přes zemní spojení. Pokud je přenášeno více signálů, obvod bude vyžadovat jeden vodič pro každý signál plus jedno sdílené zemní spojení; tak lze například přenášet 16 signálů pomocí 17 vodičů.

 

Jednostranná topologie

Diferenciální signalizace

Diferenciální signalizace, která je méně běžná než signalizace s jedním koncem, využívá dva komplementární napěťové signály k přenosu jednoho informačního signálu. Takže jeden informační signál vyžaduje pár vodičů; jeden přenáší signál a druhý přenáší invertovaný signál.

 

Jednostranný vs. diferenciál: Obecný časový diagram

 

Přijímač extrahuje informace detekcí potenciálního rozdílu mezi invertovanými a neinvertovanými signály. Dva napěťové signály jsou „vyvážené“, což znamená, že mají stejnou amplitudu a opačnou polaritu vzhledem k napětí v běžném režimu. Zpětné proudy spojené s těmito napětími jsou také vyvážené a navzájem se tak ruší; z tohoto důvodu můžeme říci, že diferenciální signály mají (ideálně) nulový proud protékající zemním spojením.

U diferenciální signalizace nemusí vysílač a přijímač nutně sdílet společnou zemní referenci. Použití diferenciální signalizace však neznamená, že rozdíly v zemním potenciálu mezi vysílačem a přijímačem nemají žádný vliv na činnost obvodu.

Pokud se přenáší více signálů, jsou pro každý signál potřeba dva vodiče a často je nutné nebo alespoň výhodné zahrnout uzemnění, i když jsou všechny signály rozdílné. Například přenos 16 signálů by tedy vyžadoval 33 vodičů (ve srovnání se 17 pro přenos s jedním koncem). To ukazuje zjevnou nevýhodu diferenciální signalizace.

 

Topologie diferenciální signalizace

Výhody diferenciální signalizace

Existují však důležité výhody diferenciální signalizace, které mohou více než kompenzovat zvýšený počet vodičů.

Žádný návratový proud

Protože nemáme (v ideálním případě) žádný zpětný proud, zemní reference se stává méně důležitou. Zemní potenciál může být dokonce odlišný u vysílače a přijímače nebo se může pohybovat v určitém přijatelném rozsahu. Musíte však být opatrní, protože stejnosměrně vázaná diferenciální signalizace (jako je USB, RS-485, CAN) obecně vyžaduje sdílený zemní potenciál, aby bylo zajištěno, že signály zůstanou v rámci maximálního a minimálního povoleného napětí v běžném režimu rozhraní.

Odolnost proti příchozímu EMI a přeslechům

Pokud je EMI (elektromagnetické rušení) nebo přeslechy (tj. EMI generované blízkými signály) zavedeno z vnějšku diferenciálních vodičů, přidává se rovnoměrně k invertovanému i neinvertovanému signálu. Přijímač reaguje na rozdíl v napětí mezi dvěma signály a ne na jednopólové (tj. zemní) napětí, a proto obvody přijímače značně sníží amplitudu rušení nebo přeslechů.

To je důvod, proč jsou diferenciální signály méně citlivé na EMI, přeslechy nebo jakýkoli jiný šum, který se spojuje s oběma signály diferenciálního páru.

Snížení odchozího EMI a přeslechů

Rychlé přechody, jako jsou vzestupné a sestupné hrany digitálních signálů, mohou generovat značné množství EMI. Jak jednostranné, tak diferenciální signály generují EMI, ale dva signály v diferenciálním páru vytvoří elektromagnetická pole, která jsou (ideálně) stejná co do velikosti, ale opačně polarizovaná. To ve spojení s technikami, které udržují těsnou blízkost mezi dvěma vodiči (jako je použití kroucené dvoulinky), zajišťuje, že se emise z těchto dvou vodičů navzájem do značné míry vyruší.

Provoz při nízkém napětí

Signály s jedním zakončením musí udržovat relativně vysoké napětí, aby byl zajištěn adekvátní odstup signálu od šumu (SNR). Běžná jednopólová napětí rozhraní jsou 3.3 V a 5 V. Díky zlepšené odolnosti vůči šumu mohou diferenciální signály používat nižší napětí a stále si zachovávat odpovídající SNR. Také SNR diferenciální signalizace se automaticky zvýší faktorem dva vzhledem k ekvivalentní implementaci s jedním koncem, protože dynamický rozsah v diferenciálním přijímači je dvakrát tak vysoký než dynamický rozsah každého signálu v rámci diferenciálního páru.

Schopnost úspěšně přenášet data pomocí nižšího napětí signálu má několik důležitých výhod:

• Lze použít nižší napájecí napětí.
• Menší přechody napětí
  • snížit vyzařované EMI,
  • snížit spotřebu energie a
  • umožňují vyšší provozní frekvence.

Vysoký nebo nízký stav a přesné časování

Přemýšleli jste někdy o tom, jak přesně rozhodujeme, zda je signál ve stavu logické vysoké nebo logické nízké? V jednopólových systémech musíme vzít v úvahu napájecí napětí, prahovou charakteristiku obvodu přijímače, možná hodnotu referenčního napětí. A samozřejmě existují variace a tolerance, které přinášejí další nejistotu do otázky logika-vysoká nebo-logika-nízká.

U diferenciálních signálů je určení logického stavu jednodušší. Pokud je napětí neinvertovaného signálu vyšší než napětí invertovaného signálu, máte logické vysoké napětí. Pokud je neinvertované napětí nižší než invertované napětí, máte logicky nízké. A přechod mezi těmito dvěma stavy je bod, ve kterém se neinvertované a invertované signály protínají – tj. bod křížení.

To je jeden z důvodů, proč je důležité sladit délky vodičů nebo tras přenášejících diferenciální signály: Pro maximální přesnost časování chcete, aby bod křížení přesně odpovídal logickému přechodu, ale když dva vodiče v páru nejsou stejné. délka, rozdíl ve zpoždění šíření způsobí posunutí bodu přechodu.

Aplikace

V současné době existuje mnoho standardů rozhraní, které využívají diferenciální signály. Patří mezi ně následující:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)
• CML (logika aktuálního režimu)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• PLECHOVKA
• USB
• Vysoce kvalitní vyvážený zvuk

Je zřejmé, že teoretické výhody diferenciální signalizace byly potvrzeny praktickým využitím v bezpočtu aplikací v reálném světě.

Základní techniky PCB pro směrování diferenciálních tras

Nakonec se naučíme základy toho, jak jsou směrovány diferenciální stopy na deskách plošných spojů. Směrování diferenciálních signálů může být trochu složité, ale existuje několik základních pravidel, díky nimž je proces jednodušší.

Délkové a délkové přizpůsobení – držte se stejně!

Diferenciální signály jsou (ideálně) stejné velikosti a opačné polarity. V ideálním případě tedy zemí neprotéká žádný čistý zpětný proud. Tato absence zpětného proudu je dobrá věc, takže chceme udržet vše co nejideálnější, a to znamená, že potřebujeme stejné délky pro dvě stopy v diferenciálním páru.

Čím vyšší je doba náběhu/doběhu vašeho signálu (nezaměňovat s frekvencí signálu), tím více musíte zajistit, aby stopy měly stejnou délku. Váš program rozvržení může obsahovat funkci, která vám pomůže doladit délku tras pro diferenciální páry. Pokud máte potíže s dosažením stejné délky, můžete použít techniku ​​„meandru“.

 

Příklad meandrovité stopy

Šířka a mezery – udržujte je konstantní!

Čím blíže jsou diferenciální vodiče, tím lepší bude vazba signálů. Generované EMI bude rušit efektivněji a přijaté EMI se bude rovnoměrněji spojovat do obou signálů. Zkuste je tedy dát opravdu blízko k sobě.

Diferenciální párové vodiče byste měli vést co nejdále od sousedních signálů, abyste zabránili rušení. Šířka a prostor mezi vašimi stopami by měly být zvoleny podle cílové impedance a měly by zůstat konstantní po celé délce stop. Takže pokud je to možné, stopy by měly zůstat paralelní, když se pohybují kolem PCB.

Impedance – minimalizujte odchylky!

Jednou z nejdůležitějších věcí, kterou musíte udělat při navrhování desky plošných spojů s diferenciálními signály, je zjistit cílovou impedanci pro vaši aplikaci a podle toho rozložit diferenciální páry. Také udržujte odchylky impedance co nejmenší.

Impedance vašeho diferenciálního vedení závisí na faktorech, jako je šířka stopy, vazba stop, tloušťka mědi a materiál desky plošných spojů a vrstvení. Zvažte každý z nich, když se budete snažit vyhnout všemu, co mění impedanci vašeho diferenciálního páru.

Nesměrujte vysokorychlostní signály přes mezeru mezi měděnými oblastmi na rovinné vrstvě, protože to také ovlivňuje vaši impedanci. Pokuste se vyhnout diskontinuitám v zemnících rovinách.

Doporučení pro rozložení – přečtěte si je, analyzujte je a přemýšlejte o nich!

A v neposlední řadě je tu jedna velmi důležitá věc, kterou musíte udělat při směrování diferenciálních tras: Získejte datový list a/nebo aplikační poznámky pro čip, který odesílá nebo přijímá diferenciální signál, přečtěte si doporučení pro rozložení a analyzujte je blízko. Tímto způsobem můžete implementovat nejlepší možné rozložení v rámci omezení konkrétního návrhu.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Diferenciální signalizace nám umožňuje přenášet informace s nižším napětím, dobrým SNR, zlepšenou odolností vůči šumu a vyšší datovou rychlostí. Na druhou stranu se počet vodičů zvyšuje a systém bude místo standardních digitálních integrovaných obvodů potřebovat specializované vysílače a přijímače.

V dnešní době jsou diferenciální signály součástí mnoha standardů, včetně LVDS, USB, CAN, RS-485 a Ethernetu, a proto bychom měli být s touto technologií (přinejmenším) obeznámeni. Pokud skutečně navrhujete desku plošných spojů s diferenciálními signály, nezapomeňte si prostudovat příslušné datové listy a poznámky k aplikacím a v případě potřeby si znovu přečtěte tento článek!

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv