Osnove: enosmerna in diferencialna signalizacija

Najprej se moramo naučiti nekaj osnov o tem, kaj je enosmerna signalizacija, preden lahko preberemo diferencialno signalizacijo in njene značilnosti.

Enokončna signalizacija

Enostranska signalizacija je preprost in običajen način prenosa električnega signala od pošiljatelja do prejemnika. Električni signal se prenaša z napetostjo (pogosto spremenljivo napetostjo), ki se nanaša na fiksni potencial, običajno 0 V vozlišče, imenovano "zemlja".

En prevodnik prenaša signal, en prevodnik pa nosi skupni referenčni potencial. Tok, povezan s signalom, potuje od pošiljatelja do sprejemnika in se prek ozemljitvene povezave vrne v napajanje. Če se prenaša več signalov, bo vezje zahtevalo en prevodnik za vsak signal in eno skupno ozemljitveno povezavo; tako se lahko na primer preko 16 prevodnikov oddaja 17 signalov.

 

Enojna topologija

Diferencialna signalizacija

Diferencialna signalizacija, ki je manj pogosta od enosmerne signalizacije, uporablja dva komplementarna napetostna signala za prenos enega informacijskega signala. Torej en informacijski signal zahteva par prevodnikov; eden nosi signal, drugi pa obrnjen signal.

 

Enosmerni vs. diferencial: generični časovni diagram

 

Sprejemnik ekstrahira informacije tako, da zazna potencialno razliko med obrnjenim in neobrnjenim signalom. Oba napetostna signala sta "uravnotežena", kar pomeni, da imata enako amplitudo in nasprotno polarnost glede na običajno napetost. Tudi povratni tokovi, povezani s temi napetostmi, so uravnoteženi in se tako medsebojno izničijo; iz tega razloga lahko rečemo, da imajo diferencialni signali (idealno) ničelni tok, ki teče skozi ozemljitveno povezavo.

Pri diferencialni signalizaciji si pošiljatelj in prejemnik ne delita nujno skupne referenčne ozemljitve. Vendar pa uporaba diferencialne signalizacije ne pomeni, da razlike v zemeljskem potencialu med pošiljateljem in sprejemnikom ne vplivajo na delovanje vezja.

Če se prenaša več signalov, sta za vsak signal potrebna dva vodnika in pogosto je potrebno ali vsaj koristno vključiti ozemljitveno povezavo, tudi če so vsi signali diferenčni. Tako bi na primer oddajanje 16 signalov zahtevalo 33 prevodnikov (v primerjavi s 17 za enosmerni prenos). To kaže na očitno slabost diferencialne signalizacije.

 

Topologija diferencialne signalizacije

Prednosti diferencialne signalizacije

Vendar pa obstajajo pomembne prednosti diferencialne signalizacije, ki lahko več kot kompenzira povečano število prevodnikov.

Brez povratnega toka

Ker (idealno) nimamo povratnega toka, postane referenca ozemljitve manj pomembna. Potencial tal je lahko celo drugačen pri pošiljatelju in prejemniku ali se premika v določenem sprejemljivem območju. Vendar pa morate biti previdni, ker diferencialna signalizacija, sklopljena z enosmernim tokom (kot so USB, RS-485, CAN) na splošno zahteva skupni potencial ozemljitve, da zagotovite, da signali ostanejo znotraj največje in najmanjše dovoljene napetosti skupnega načina vmesnika.

Odpornost na vhodne EMI in preslušavanje

Če se EMI (elektromagnetne motnje) ali preslušavanje (tj. EMI, ki ga generirajo bližnji signali) vnesejo zunaj diferencialnih prevodnikov, se enako dodajo obrnjenemu in neobrnjenemu signalu. Sprejemnik se odziva na razliko v napetosti med obema signaloma in ne na enosmerno (tj. ozemljeno) napetost, zato bo vezje sprejemnika močno zmanjšalo amplitudo motenj ali preslušavanja.

Zato so diferenčni signali manj občutljivi na EMI, preslušavanje ali kateri koli drug šum, ki se poveže v oba signala diferencialnega para.

Zmanjšanje odhodnih EMI in preslušavanja

Hitri prehodi, kot so naraščajoči in padajoči robovi digitalnih signalov, lahko ustvarijo znatne količine EMI. Tako enosmerni kot diferencialni signali ustvarjajo EMI, vendar bosta oba signala v diferencialnem paru ustvarila elektromagnetna polja, ki so (idealno) enake velikosti, vendar nasprotne polarnosti. To v povezavi s tehnikami, ki ohranjajo neposredno bližino med dvema prevodnikoma (kot je uporaba kabla z sukanim parom), zagotavlja, da se emisije iz obeh prevodnikov v veliki meri medsebojno izničijo.

Nizkonapetostno delovanje

Enokončni signali morajo vzdrževati relativno visoko napetost, da zagotovijo ustrezno razmerje signal/šum (SNR). Običajni napetosti enosmernega vmesnika sta 3.3 V in 5 V. Zaradi izboljšane odpornosti na šum lahko diferenčni signali uporabljajo nižje napetosti in še vedno ohranjajo ustrezen SNR. Prav tako se SNR diferencialne signalizacije samodejno poveča za faktor dva glede na enakovredno izvedbo z enim koncem, ker je dinamični razpon na diferencialnem sprejemniku dvakrat višji od dinamičnega razpona vsakega signala znotraj diferencialnega para.

Sposobnost uspešnega prenosa podatkov z nižjimi signalnimi napetostmi ima nekaj pomembnih prednosti:

• Uporabite lahko nižje napajalne napetosti.
• Manjši napetostni prehodi
  • zmanjšati sevane EMI,
  • zmanjšati porabo energije in
  • omogočajo višje delovne frekvence.

Visoko ali nizko stanje in natančen čas

Ste se kdaj vprašali, kako natančno se odločimo, ali je signal v stanju logične visoke ali logične nizke vrednosti? Pri enosmernih sistemih moramo upoštevati napajalno napetost, mejne značilnosti vezja sprejemnika, morda vrednost referenčne napetosti. In seveda obstajajo razlike in tolerance, ki vnašajo dodatno negotovost v vprašanje logično visoko ali logično nizko.

Pri diferencialnih signalih je določanje logičnega stanja enostavnejše. Če je napetost neobrnjenega signala višja od napetosti invertiranega signala, imate logično visoko. Če je neobrnjena napetost nižja od invertirane napetosti, imate nizko logiko. In prehod med obema stanjema je točka, na kateri se sekata neobrnjeni in obrnjeni signali – to je točka križanja.

To je eden od razlogov, zakaj je pomembno uskladiti dolžine žic ali sledi, ki prenašajo diferencialne signale: za največjo časovno natančnost želite, da točka križanja natančno ustreza logičnemu prehodu, ko pa oba vodnika v paru nista enaka dolžine, bo razlika v zakasnitvi širjenja povzročila premik točke križanja.

Aplikacije

Trenutno obstaja veliko standardov vmesnikov, ki uporabljajo diferencialne signale. Ti vključujejo naslednje:

• LVDS (nizkonapetostna diferencialna signalizacija)
• CML (logika trenutnega načina)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Visokokakovosten uravnotežen zvok

Jasno je, da so teoretične prednosti diferencialne signalizacije potrjene s praktično uporabo v neštetih aplikacijah v resničnem svetu.

Osnovne tehnike PCB za usmerjanje diferencialnih sledi

Končno se naučimo osnov, kako se diferencialne sledi usmerjajo na PCB. Usmerjanje diferencialnih signalov je lahko nekoliko zapleteno, vendar obstaja nekaj osnovnih pravil, ki poenostavijo postopek.

Ujemanje dolžine in dolžine – naj bo enako!

Diferencialni signali so (idealno) enaki po velikosti in nasprotni po polarnosti. Tako v idealnem primeru neto povratni tok ne bo tekel skozi tla. Ta odsotnost povratnega toka je dobra stvar, zato želimo, da je vse čim bolj idealno, kar pomeni, da potrebujemo enake dolžine za dve sledi v diferencialnem paru.

Višji kot je čas vzpona/spada vašega signala (ne smemo zamenjati s frekvenco signala), bolj morate zagotoviti, da imajo sledi enake dolžine. Vaš program postavitve lahko vključuje funkcijo, ki vam pomaga natančno nastaviti dolžino sledi za diferencialne pare. Če imate težave pri doseganju enake dolžine, lahko uporabite tehniko "meander".

 

Primer vijugaste sledi

Širina in razmik – naj bo nespremenjen!

Bližje kot so diferencialni vodniki, boljša bo povezava signalov. Ustvarjen EMI se bo učinkoviteje izničil, prejeti EMI pa se bo bolj enakomerno povezal v oba signala. Zato jih poskusite res zbližati.

Prevodnike diferencialnih parov napeljite čim dlje od sosednjih signalov, da se izognete motnjam. Širina in razmik med vašimi sledovi morata biti izbrana glede na ciljno impedanco in morata ostati konstantna po celotni dolžini sledi. Torej, če je mogoče, morajo sledi ostati vzporedne, ko potujejo okoli PCB.

Impedanca – zmanjšajte razlike!

Ena najpomembnejših stvari, ki jih morate storiti pri načrtovanju PCB z diferencialnimi signali, je ugotoviti ciljno impedanco za vašo aplikacijo in nato ustrezno razporediti svoje diferencialne pare. Prav tako naj bodo variacije impedance čim manjše.

Impedanca vaše diferencialne linije je odvisna od dejavnikov, kot so širina sledi, povezava sledi, debelina bakra ter material PCB in zlaganje plasti. Razmislite o vsakem od teh, ko se poskušate izogniti vsemu, kar spremeni impedanco vašega diferencialnega para.

Ne usmerjajte hitrih signalov čez vrzel med bakrenimi območji na ravni plasti, ker to vpliva tudi na vašo impedanco. Poskusite se izogniti diskontinuitetam v ozemljitvenih ravninah.

Priporočila za postavitev – preberite, analizirajte in premislite!

In nenazadnje, obstaja ena zelo pomembna stvar, ki jo morate storiti pri usmerjanju diferencialnih sledi: pridobite podatkovni list in/ali opombe o aplikaciji za čip, ki pošilja ali prejema diferenčni signal, preberite priporočila za postavitev in analizirajte jih tesno. Na ta način lahko implementirate najboljšo možno postavitev v okviru omejitev določenega dizajna.

zaključek

Diferencialna signalizacija nam omogoča prenos informacij z nižjimi napetostmi, dobrim SNR, izboljšano odpornostjo na hrup in višjimi hitrostmi prenosa podatkov. Po drugi strani se število prevodnikov poveča in sistem bo namesto standardnih digitalnih IC potreboval specializirane oddajnike in sprejemnike.

Danes so diferencialni signali del številnih standardov, vključno z LVDS, USB, CAN, RS-485 in Ethernetom, zato bi morali biti vsi (vsaj) seznanjeni s to tehnologijo. Če dejansko načrtujete tiskano vezje z diferencialnimi signali, si ne pozabite ogledati ustreznih podatkovnih listov in opomb aplikacij in po potrebi še enkrat prebrati ta članek!

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo