Основи: Еднокрајна и диференцијална сигнализација

Прво, треба да научиме некои основи за тоа што е еднократна сигнализација пред да можеме да ја разгледаме диференцијалната сигнализација и нејзините карактеристики.

Сигнализирање со еден крај

Сигнализирањето со еден крај е едноставен и вообичаен начин за пренос на електричен сигнал од испраќач до примач. Електричниот сигнал се пренесува со напон (често променлив напон), кој е упатен на фиксен потенцијал, обично јазол од 0 V, наречен „земјување“.

Еден проводник го носи сигналот и еден проводник го носи заедничкиот референтен потенцијал. Струјата поврзана со сигналот патува од испраќачот до примачот и се враќа на напојувањето преку приклучокот за заземјување. Ако се пренесат повеќе сигнали, колото ќе бара еден проводник за секој сигнал плус една споделена врска за заземјување; така, на пример, може да се пренесат 16 сигнали со помош на 17 проводници.

 

Топологија со еден крај

Диференцијална сигнализација

Диференцијалната сигнализација, која е поретка од сигнализацијата со еден крај, користи два комплементарни напонски сигнали со цел да се пренесе еден информативен сигнал. Значи, еден информативен сигнал бара пар проводници; едниот го носи сигналот, а другиот го носи превртениот сигнал.

 

Еднокрај наспроти диференцијал: Генеричен временски дијаграм

 

Приемникот извлекува информации со откривање на потенцијалната разлика помеѓу инвертираните и неинвертираните сигнали. Двата напонски сигнали се „балансирани“, што значи дека имаат еднаква амплитуда и спротивен поларитет во однос на напонот во заеднички режим. Повратните струи поврзани со овие напони се исто така избалансирани и на тој начин се поништуваат едни со други; поради оваа причина, можеме да кажеме дека диференцијалните сигнали имаат (идеално) нула струја што тече низ приклучокот за заземјување.

Со диференцијална сигнализација, испраќачот и примачот не мора да делат заедничка референца. Сепак, употребата на диференцијална сигнализација не значи дека разликите во потенцијалот на земјата помеѓу испраќачот и примачот немаат никакво влијание врз работата на колото.

Ако се пренесат повеќе сигнали, потребни се два проводници за секој сигнал, и често е неопходно или барем корисно да се вклучи поврзување со заземјување, дури и кога сите сигнали се диференцијални. Така, на пример, за пренос на 16 сигнали би биле потребни 33 проводници (во споредба со 17 за пренос со еден крај). Ова покажува очигледен недостаток на диференцијалната сигнализација.

 

Топологија на диференцијална сигнализација

Придобивки од диференцијална сигнализација

Сепак, постојат важни придобивки од диференцијалната сигнализација што може повеќе од да го компензира зголемениот број на проводници.

Без повратна струја

Бидејќи (идеално) немаме повратна струја, референцата за заземјување станува помалку важна. Потенцијалот на земјата дури може да биде различен кај испраќачот и примачот или да се движи наоколу во одреден прифатлив опсег. Сепак, треба да бидете внимателни бидејќи диференцијалната сигнализација поврзана со еднонасочна струја (како USB, RS-485, CAN) генерално бара споделен потенцијал за заземјување за да се осигура дека сигналите остануваат во рамките на максималниот и минималниот дозволен напон на интерфејсот во заеднички режим.

Отпорност на дојдовни EMI и Crosstalk

Ако EMI (електромагнетни пречки) или вкрстување (т.е. EMI генерирана од блиски сигнали) се воведуваат надвор од диференцијалните проводници, тие се додаваат подеднакво на превртениот и неинвертираниот сигнал. Приемникот реагира на разликата во напонот помеѓу двата сигнала, а не на напонот со еден крај (т.е. референциран за заземјување), и на тој начин колото на приемникот во голема мера ќе ја намали амплитудата на пречките или презборувањето.

Ова е причината зошто диференцијалните сигнали се помалку чувствителни на EMI, преслушување или кој било друг шум што се поврзува во двата сигнали од диференцијалниот пар.

Намалување на појдовната EMI и Crosstalk

Брзите транзиции, како што се растечките и опаѓачките рабови на дигиталните сигнали, можат да генерираат значителни количини на EMI. И еднокрајните и диференцијалните сигнали генерираат EMI, но двата сигнали во диференцијален пар ќе создадат електромагнетни полиња кои се (идеално) еднакви по големина, но спротивни по поларитет. Ова, во комбинација со техниките кои одржуваат непосредна близина помеѓу двата проводници (како што е употребата на кабел со изопачен пар), осигурува дека емисиите од двата проводници во голема мера ќе се поништат едни со други.

Работа со низок напон

Сигналите со еден крај мора да одржуваат релативно висок напон за да се обезбеди соодветен сооднос сигнал-шум (SNR). Вообичаените интерфејсни напони со еден крај се 3.3 V и 5 V. Поради нивната подобрена отпорност на бучава, диференцијалните сигнали можат да користат пониски напони и сепак да одржуваат соодветна SNR. Исто така, SNR на диференцијалната сигнализација автоматски се зголемува за фактор два во однос на еквивалентна имплементација со еден крај, бидејќи динамичкиот опсег кај диференцијалниот приемник е двојно поголем од динамичкиот опсег на секој сигнал во диференцијалниот пар.

Способноста за успешно пренесување податоци користејќи пониски напони на сигналот доаѓа со неколку важни придобивки:

• Може да се користат пониски напони за напојување.
• Помали напонски транзиции
  • намалување на зрачената ЕМИ,
  • намалување на потрошувачката на енергија и
  • овозможуваат повисоки работни фреквенции.

Висока или ниска состојба и прецизен тајминг

Дали некогаш сте се запрашале како точно одлучуваме дали сигналот е во логичка висока или логичка ниска состојба? Во системите со еден крај, треба да го земеме предвид напонот за напојување, праговите карактеристики на колата на приемникот, можеби вредноста на референтниот напон. И секако има варијации и толеранции, кои внесуваат дополнителна несигурност во прашањето логичко-високо-или-логичко-ниско.

Кај диференцијалните сигнали, одредувањето на логичката состојба е поедноставно. Ако напонот на неинвертираниот сигнал е повисок од напонот на превртениот сигнал, имате логично високо ниво. Ако неинвертираниот напон е помал од превртениот напон, имате логично ниско ниво. А транзицијата помеѓу двете состојби е точката во која се сечат неинвертираните и превртените сигнали - т.е. точката на вкрстување.

Ова е една од причините зошто е важно да се совпаднат должините на жиците или трагите што носат диференцијални сигнали: за максимална прецизност на времето, сакате точката на вкрстување точно да одговара на логичката транзиција, но кога двата проводници во парот не се еднакви должина, разликата во доцнењето на ширењето ќе предизвика поместување на точката на вкрстување.

апликации

Во моментов има многу интерфејс стандарди кои користат диференцијални сигнали. Тие го вклучуваат следново:

• LVDS (нисконапонска диференцијална сигнализација)
• CML (логика на тековниот режим)
• RS485
• RS422
• Етернет
• CAN
• USB
• Избалансиран звук со висок квалитет

Очигледно, теоретските предности на диференцијалната сигнализација се потврдени со практична употреба во безброј апликации во реалниот свет.

Основни техники на ПХБ за рутирање на диференцијални траги

Конечно, да ги научиме основите за тоа како диференцијалните траги се насочуваат на ПХБ. Рутирањето на диференцијалните сигнали може да биде малку сложено, но постојат некои основни правила кои го прават процесот поедноставен.

Усогласување на должината и должината - Чувајте го еднакво!

Диференцијалните сигнали се (идеално) еднакви по големина и спротивни по поларитет. Така, во идеален случај, ниту една нето-повратна струја нема да тече низ земјата. Ова отсуство на повратна струја е добра работа, затоа сакаме да задржиме сè што е можно поидеално, а тоа значи дека ни требаат еднакви должини за двете траги во диференцијален пар.

Колку е поголемо времето на пораст/пад на вашиот сигнал (да не се меша со фреквенцијата на сигналот), толку повеќе треба да се осигурате дека трагите имаат идентична должина. Вашата програма за распоред може да вклучува карактеристика што ви помага да ја прилагодите должината на трагите за диференцијални парови. Ако имате потешкотии да постигнете еднаква должина, можете да ја користите техниката „меандер“.

 

Пример за меандрирана трага

Ширина и растојание - Чувајте го постојано!

Колку се поблиску диференцијалните проводници, толку подобро ќе биде спојувањето на сигналите. Генерираната EMI ќе се откаже поефективно, а добиената EMI ќе се спои подеднакво во двата сигнали. Затоа обидете се да ги зближите навистина.

Треба да ги насочите проводниците со диференцијални парови колку што е можно подалеку од соседните сигнали, за да избегнете пречки. Ширината и просторот помеѓу вашите траги треба да бидат избрани според целната импеданса и треба да останат константни по целата должина на трагите. Значи, ако е можно, трагите треба да останат паралелни додека патуваат околу ПХБ.

Импеданса - минимизирајте ги варијациите!

Една од најважните работи што треба да ги направите при дизајнирање на ПХБ со диференцијални сигнали е да ја дознаете целната импеданса за вашата апликација и потоа соодветно да ги поставите вашите диференцијални парови. Исто така, одржувајте ги варијациите на импедансата што е можно помали.

Импедансата на вашата диференцијална линија зависи од фактори како што се ширината на трагата, спојувањето на трагите, дебелината на бакарот и натрупувањето на материјалот и слојот на ПХБ. Размислете за секое од овие додека се обидувате да избегнете се што ја менува импедансата на вашиот диференцијален пар.

Не насочувајте ги сигналите со голема брзина преку јазот помеѓу бакарните области на рамниот слој, бидејќи тоа исто така влијае на вашата импеданса. Обидете се да избегнете дисконтинуитети во рамнините на земјата.

Препораки за распоред - прочитајте, анализирајте и преиспитајте ги!

И, последно, но не и најмалку важно, има една многу важна работа што треба да ја направите при рутирање на диференцијални траги: Земете го листот со податоци и/или белешките за апликацијата за чипот што испраќа или прима диференцијален сигнал, прочитајте ги препораките за распоредот и анализирајте нив тесно. На овој начин можете да го имплементирате најдобриот можен распоред во рамките на ограничувањата на одреден дизајн.

Заклучок

Диференцијалната сигнализација ни овозможува да пренесуваме информации со пониски напони, добар SNR, подобрена отпорност на бучава и повисоки стапки на податоци. Од друга страна, бројот на проводници се зголемува, а на системот ќе му требаат специјализирани предаватели и приемници наместо стандардни дигитални ИЦ.

Во денешно време, диференцијалните сигнали се дел од многу стандарди, вклучувајќи ги LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и затоа сите треба да бидеме (во најмала рака) запознаени со оваа технологија. Ако всушност дизајнирате ПХБ со диференцијални сигнали, не заборавајте да ги консултирате релевантните листови со податоци и белешки за апликациите и доколку е потребно прочитајте ја оваа статија повторно!

Остави порака 

Список со пораки