Почему и как дифференциальная сигнализация
Узнайте о важных характеристиках, преимуществах и приложениях дифференциальной сигнализации, а также о правильных методах компоновки дифференциальных сигналов.
Основы: односторонняя и дифференциальная сигнализация
Во-первых, нам нужно изучить некоторые основы того, что означает однонаправленная сигнализация, прежде чем мы сможем переходить на дифференциальную сигнализацию и ее характеристики.
Односторонняя сигнализация
Одиночная сигнализация - простой и распространенный способ передачи электрического сигнала от отправителя к приемнику. Электрический сигнал передается напряжением (часто переменным напряжением), на которое ссылается фиксированный потенциал, обычно узел 0 В, называемый «землей».
Один проводник несет сигнал, а один проводник несет общий опорный потенциал. Ток, связанный с сигналом, поступает от отправителя к приемнику и возвращается к источнику питания через заземление. Если передано несколько сигналов, для каждого сигнала потребуется один проводник плюс одно общее заземление; таким образом, например, 16 сигналов могут передаваться с использованием 17 проводников.
Однополярная топология
Дифференциальная сигнализация
Дифференциальная сигнализация, которая является менее распространенной, чем однонаправленная сигнализация, использует два дополнительных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Таким образом, один информационный сигнал требует пары проводников; один несет сигнал, а другой передает инвертированный сигнал.
Односторонний и дифференциальный: общая временная диаграмма
Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированными и неинвертированными сигналами. Два сигнала напряжения «сбалансированы», что означает, что они имеют равную амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, отменяют друг друга; по этой причине можно сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток, протекающий через заземление.
При дифференциальной сигнализации отправитель и получатель не обязательно имеют общую опорную точку заземления. Однако использование дифференциальной сигнализации не означает, что различия в потенциале заземления между отправителем и приемником не влияют на работу схемы.
Если передано несколько сигналов, для каждого сигнала необходимы два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить 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.
Дифференциальная топология сигнализации
Преимущества дифференциальной сигнализации
Однако существуют важные преимущества дифференциальной сигнализации, которые могут более чем компенсировать увеличение количества проводников.
Нет обратного тока
Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, ссылка на землю становится менее важной. Потенциал заземления может даже отличаться у отправителя и приемника или перемещаться в пределах допустимого диапазона. Тем не менее, вы должны быть осторожны, потому что дифференциальная передача по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требует общего потенциала заземления, чтобы сигналы оставались в пределах максимального и минимально допустимого напряжения синфазного интерфейса.
Устойчивость к входящим электромагнитным помехам и перекрестным помехам
Если электромагнитные помехи (электромагнитные помехи) или перекрестные помехи (т. Е. EMI, генерируемые соседними сигналами) вводятся извне дифференциальных проводников, он равномерно добавляется к инвертированному и неинвертированному сигналу. Приемник реагирует на разность напряжений между двумя сигналами, а не на одностороннее (т. Е. Заземленное) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно уменьшит амплитуду помех или перекрестных помех.
Вот почему дифференциальные сигналы менее чувствительны к электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любым другим шумам, которые соединяются в оба сигнала дифференциальной пары.
Сокращение исходящих EMI и перекрестных помех
Быстрые переходы, такие как восходящий и спадающий фронты цифровых сигналов, могут генерировать значительные количества EMI. Оба несимметричных и дифференциальных сигнала генерируют EMI, но два сигнала в дифференциальной паре создают электромагнитные поля, которые (идеально) равны по величине, но противоположны по полярности. Это в сочетании с методами, которые поддерживают тесную близость между двумя проводниками (например, использование кабеля с витой парой), гарантирует, что выбросы от двух проводников будут в значительной степени отменять друг друга.
Работа с низким напряжением
Односторонние сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение для обеспечения достаточного отношения сигнал / шум (SNR). Общие однофазные интерфейсные напряжения составляют 3, 3 В и 5 В. Из-за их повышенной стойкости к шуму дифференциальные сигналы могут использовать более низкие напряжения и поддерживать адекватное SNR. Кроме того, SNR дифференциальной сигнализации автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной одноцелевой реализацией, поскольку динамический диапазон на дифференциальном приемнике в два раза выше динамического диапазона каждого сигнала в дифференциальной паре.
Возможность успешно передавать данные с использованием более низкого напряжения сигнала имеет несколько важных преимуществ:
- Могут использоваться более низкие напряжения питания.
- Меньшие переходы напряжения
- уменьшить излучаемые EMI,
- снизить энергопотребление и
- обеспечивают более высокие рабочие частоты.
Высокое или низкое состояние и точное время
Вы когда-нибудь задумывались, как именно мы решаем, находится ли сигнал в логическом или низком состоянии с логикой? // de.wikipedia.org/wiki/Low_Voltage_Differential_Signaling "target =" _ blank "> LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация)
Ясно, что теоретические преимущества дифференциальной сигнализации подтверждены практическим использованием в бесчисленных реальных приложениях.
Основные методы PCB для маршрутизации дифференциальных следов
Наконец, давайте изучим основы того, как дифференциальные трассы маршрутизируются на печатных платах. Маршрутизация дифференциальных сигналов может быть немного сложной, но есть некоторые основные правила, которые делают процесс более простым.
Длина и длина соответствия - Держите равно
Дифференциальные сигналы (в идеале) равны по величине и противоположны по полярности. Таким образом, в идеальном случае никакой чистый обратный ток не будет протекать через землю. Это отсутствие обратного тока - это хорошо, поэтому мы хотим сохранить все как можно более идеальным, и это означает, что нам нужны одинаковые длины для двух трасс в дифференциальной паре.
Чем выше время нарастания / спада вашего сигнала (не путать с частотой сигнала), тем больше вы должны следить за тем, чтобы трассы имели одинаковую длину. Ваша программа компоновки может включать в себя функцию, которая поможет вам точно отрегулировать длину следов для дифференциальных пар. Если вам трудно достичь равной длины, вы можете использовать технику «меандра».
Пример извилистой трассы
Ширина и интервал - Держите его постоянным
Чем ближе дифференциальные проводники, тем лучше будет соединение сигналов. Сгенерированный EMI будет более эффективно отменяться, и принятый EMI будет более равномерно соединяться с обоими сигналами. Поэтому постарайся сблизиться с ними.
Вы должны направлять проводники дифференциальной пары как можно дальше от соседних сигналов, чтобы избежать помех. Ширина и пространство между вашими трассами должны выбираться в соответствии с целевым импедансом и должны оставаться постоянными по всей длине следов. Поэтому, если это возможно, следы должны оставаться параллельными при движении по печатной плате.
Импеданс - свести к минимуму вариации
Одной из наиболее важных вещей, которые нужно сделать при проектировании печатной платы с дифференциальными сигналами, является выяснение целевого импеданса для вашего приложения, а затем распределение ваших дифференциальных пар соответственно. Кроме того, сохраняйте вариации импеданса как можно меньше.
Сопротивление вашей дифференциальной линии зависит от таких факторов, как ширина трассы, сцепление трасс, толщина меди и материал печатной платы и слой. Рассмотрите каждую из них, пытаясь избежать чего-либо, что изменит импеданс вашей дифференциальной пары.
Не направляйте высокоскоростные сигналы на зазор между медными областями на плоском слое, так как это также влияет на ваш импеданс. Старайтесь избегать разрывов в наземных плоскостях.
Рекомендации по макету - прочитайте, проанализируйте и опротейте их
И последнее, но не менее важное: есть одна очень важная вещь, которую вы должны делать при маршрутизации дифференциальных трасс: получите таблицу данных и / или примечания к приложению для чипа, который отправляет или получает дифференциальный сигнал, просматривает рекомендации по компоновке и анализирует их тесно. Таким образом, вы можете реализовать наилучший возможный макет в рамках ограничений конкретного дизайна.
Вывод
Дифференциальная сигнализация позволяет передавать информацию с более низким напряжением, хорошим SNR, улучшенной помехоустойчивостью к шуму и более высокими скоростями передачи данных. С другой стороны, счетчик проводников увеличивается, и система будет нуждаться в специализированных передатчиках и приемниках вместо стандартных цифровых ИС.
В настоящее время дифференциальные сигналы являются частью многих стандартов, включая LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и поэтому мы все должны быть (по крайней мере) знакомы с этой технологией. Если вы на самом деле разрабатываете печатную плату с дифференциальными сигналами, не забудьте проконсультироваться с соответствующими спецификациями и заметками приложения и, если необходимо, снова прочитать эту статью!