Pagrindai: vieno galo ir diferencialinis signalizavimas

Pirma, turime išmokti kai kuriuos pagrindus apie tai, kas yra vienpusis signalizavimas, kad galėtume peržvelgti diferencinį signalizavimą ir jo charakteristikas.

Vieno galo signalizacija

Vienpusis signalizavimas yra paprastas ir įprastas būdas perduoti elektrinį signalą iš siuntėjo į imtuvą. Elektrinis signalas perduodamas įtampa (dažnai kintama įtampa), kuri yra susijusi su fiksuotu potencialu, paprastai 0 V mazgu, vadinamu "žeme".

Vienas laidininkas neša signalą, o vienas – bendrą atskaitos potencialą. Su signalu susijusi srovė keliauja nuo siuntėjo iki imtuvo ir per įžeminimo jungtį grįžta į maitinimo šaltinį. Jei perduodami keli signalai, grandinėje reikės po vieną laidininką kiekvienam signalui ir vieną bendrą įžeminimo jungtį; taigi, pavyzdžiui, naudojant 16 laidininkų galima perduoti 17 signalų.

 

Vienpusė topologija

Diferencialinis signalizavimas

Diferencialinis signalizavimas, kuris yra mažiau paplitęs nei vieno galo signalizavimas, naudoja du papildomus įtampos signalus, kad būtų perduodamas vienas informacinis signalas. Taigi vienam informaciniam signalui reikia laidų poros; vienas neša signalą, o kitas – apverstą signalą.

 

Vienpusis ir diferencialas: bendroji laiko diagrama

 

Imtuvas išgauna informaciją aptikdamas potencialų skirtumą tarp apverstų ir neinvertuotų signalų. Du įtampos signalai yra „subalansuoti“, o tai reiškia, kad jų amplitudė yra vienoda ir priešingas poliškumas, palyginti su bendrojo režimo įtampa. Su šiomis įtampomis susijusios grįžtamosios srovės taip pat yra subalansuotos ir taip viena kitą panaikina; dėl šios priežasties galime teigti, kad diferencialiniai signalai turi (idealiu atveju) nulinę srovę, tekančią per įžeminimo jungtį.

Naudojant diferencinį signalizavimą, siuntėjas ir gavėjas nebūtinai turi bendrą pagrindinę nuorodą. Tačiau diferencinio signalizavimo naudojimas nereiškia, kad įžeminimo potencialo skirtumai tarp siuntėjo ir imtuvo neturi įtakos grandinės veikimui.

Jei perduodami keli signalai, kiekvienam signalui reikia dviejų laidininkų ir dažnai būtina arba bent jau naudinga įtraukti įžeminimo jungtį, net kai visi signalai yra diferenciniai. Taigi, pavyzdžiui, norint perduoti 16 signalų, prireiktų 33 laidininkų (palyginti su 17 vieno galo perdavimo atveju). Tai rodo akivaizdų diferencinio signalizavimo trūkumą.

 

Diferencialinės signalizacijos topologija

Diferencialinio signalizavimo pranašumai

Tačiau yra svarbių diferencialinio signalizavimo pranašumų, kurie gali daugiau nei kompensuoti padidėjusį laidininkų skaičių.

Nėra grįžtamosios srovės

Kadangi (idealiu atveju) neturime grįžtamosios srovės, įžeminimo nuoroda tampa mažiau svarbi. Įžeminimo potencialas netgi gali skirtis siųstuvas ir imtuvas arba judėjimas tam tikru priimtinu diapazonu. Tačiau reikia būti atsargiems, nes su nuolatine srove sujungtam diferenciniam signalizavimui (pvz., USB, RS-485, CAN) paprastai reikalingas bendras įžeminimo potencialas, kad signalai neviršytų maksimalios ir minimalios sąsajos leistinos bendrojo režimo įtampos.

Atsparumas įeinančiam EMI ir skersiniam pokalbiui

Jei EMI (elektromagnetiniai trukdžiai) arba skersinis pokalbis (ty EMI, kurį generuoja netoliese esantys signalai) įvedamas iš diferencialinių laidų išorės, jis vienodai pridedamas prie apversto ir neinvertuoto signalo. Imtuvas reaguoja į įtampos skirtumą tarp dviejų signalų, o ne į vieno galo (ty įžeminimo) įtampą, todėl imtuvo grandinė labai sumažins trukdžių arba skersinio pokalbio amplitudę.

Štai kodėl diferencialiniai signalai yra mažiau jautrūs EMI, skersiniam pokalbiui ar bet kokiam kitam triukšmui, kuris susijungia į abu diferencialinės poros signalus.

Išeinančio EMI ir „crosstalk“ sumažinimas

Greiti perėjimai, pvz., kylantys ir krintantys skaitmeninių signalų kraštai, gali sukelti didelį EMI kiekį. Tiek vieno galo, tiek diferencialiniai signalai generuoja EMI, tačiau du signalai diferencialinėje poroje sukurs elektromagnetinius laukus, kurie (idealiu atveju) yra vienodo dydžio, bet priešingo poliškumo. Tai kartu su metodais, kuriais palaikomas glaudus dviejų laidininkų artumas (pvz., vytos poros kabelio naudojimas), užtikrinama, kad dviejų laidininkų emisija iš esmės panaikins vienas kitą.

Žemesnės įtampos veikimas

Vienpusiai signalai turi palaikyti santykinai aukštą įtampą, kad būtų užtikrintas tinkamas signalo ir triukšmo santykis (SNR). Įprastos vienpusės sąsajos įtampos yra 3.3 V ir 5 V. Dėl geresnio atsparumo triukšmui diferencialiniai signalai gali naudoti žemesnę įtampą ir vis tiek išlaikyti tinkamą SNR. Be to, diferencialinio signalizavimo SNR automatiškai padidinamas du kartus, palyginti su lygiaverčiu vieno galo įgyvendinimu, nes diferencialinio imtuvo dinaminis diapazonas yra dvigubai didesnis nei kiekvieno signalo dinaminis diapazonas diferencialinėje poroje.

Galimybė sėkmingai perduoti duomenis naudojant žemesnę signalo įtampą turi keletą svarbių pranašumų:

• Galima naudoti žemesnę maitinimo įtampą.
• Mažesni įtampos perėjimai
  • sumažinti spinduliuojamą EMI,
  • sumažinti energijos suvartojimą ir
  • leidžia naudoti aukštesnius veikimo dažnius.

Aukšta arba žema būsena ir tikslus laikas

Ar kada nors susimąstėte, kaip tiksliai nusprendžiame, ar signalas yra logiškai aukšto ar žemo lygio? Vienpusėse sistemose turime atsižvelgti į maitinimo įtampą, imtuvo grandinės slenksčio charakteristikas, galbūt į atskaitos įtampos vertę. Ir, žinoma, yra skirtumų ir tolerancijos, kurios suteikia papildomo neapibrėžtumo klausimui „aukšta logika“ arba „logiška žema“.

Diferencialiniuose signaluose loginės būsenos nustatymas yra paprastesnis. Jei neinvertuoto signalo įtampa yra didesnė už invertuoto signalo įtampą, logika yra aukšta. Jei neinvertuota įtampa yra mažesnė už apverstą įtampą, logika yra žema. Ir perėjimas tarp dviejų būsenų yra taškas, kuriame neapverstas ir apverstas signalai susikerta, ty kryžminimo taškas.

Tai yra viena iš priežasčių, kodėl svarbu suderinti laidų ar pėdsakų, nešančių diferencinius signalus, ilgius: siekiant maksimalaus laiko nustatymo tikslumo, norite, kad perėjimo taškas tiksliai atitiktų loginį perėjimą, bet kai du poros laidininkai nėra vienodi. ilgio, sklidimo delsos skirtumas sukels kryžminio taško pasislinkimą.

Programos

Šiuo metu yra daug sąsajos standartų, kuriuose naudojami diferencialiniai signalai. Tai apima:

• LVDS (žemos įtampos diferencialinis signalas)
• CML (dabartinio režimo logika)
• RS485
• RS422
• "Ethernet"
• CAN
• USB
• Aukštos kokybės subalansuotas garsas

Akivaizdu, kad teoriniai diferencinio signalizavimo pranašumai buvo patvirtinti praktiškai naudojant daugybę realaus pasaulio programų.

Pagrindinės PCB diferencialinių pėdsakų nukreipimo technologijos

Galiausiai, išmokime pagrindus, kaip diferencialiniai pėdsakai nukreipiami ant PCB. Skirtingų signalų nukreipimas gali būti šiek tiek sudėtingas, tačiau yra keletas pagrindinių taisyklių, kurios palengvina procesą.

Ilgio ir ilgio suderinimas – laikykite lygybę!

Diferencialiniai signalai (idealiu atveju) yra vienodo dydžio ir priešingo poliškumo. Taigi, idealiu atveju grynoji grąžinimo srovė netekės per žemę. Šis grįžtamosios srovės nebuvimas yra geras dalykas, todėl norime, kad viskas būtų kuo idealiau, o tai reiškia, kad mums reikia vienodo ilgio dviem diferencialinės poros pėdsakams.

Kuo didesnis jūsų signalo kilimo / kritimo laikas (nepainiokite su signalo dažniu), tuo labiau turite užtikrinti, kad pėdsakai būtų vienodo ilgio. Jūsų išdėstymo programoje gali būti funkcija, padedanti tiksliai sureguliuoti diferencialinių porų pėdsakų ilgį. Jei jums sunku pasiekti vienodą ilgį, galite naudoti „vingiavimo“ techniką.

 

Vingiuoto pėdsako pavyzdys

Plotis ir tarpai – palaikykite pastovų!

Kuo arčiau diferencialiniai laidininkai, tuo geresnis bus signalų sujungimas. Sugeneruotas EMI bus veiksmingesnis, o gautas EMI bus vienodai susietas su abiem signalais. Taigi pabandykite juos suartinti.

Kad išvengtumėte trukdžių, diferencialinių porų laidininkus reikia nukreipti kuo toliau nuo gretimų signalų. Pėdsakų plotis ir tarpas tarp jų turi būti parinkti pagal tikslinę varžą ir turi išlikti pastovūs per visą pėdsakų ilgį. Taigi, jei įmanoma, pėdsakai turi likti lygiagrečiai, kai jie keliauja aplink PCB.

Varža – sumažinkite svyravimus!

Vienas iš svarbiausių dalykų, kuriuos reikia padaryti kuriant PCB su diferencialiniais signalais, yra išsiaiškinti tikslinę jūsų programos varžą ir atitinkamai išdėstyti diferencialo poras. Be to, impedanso svyravimai turi būti kuo mažesni.

Jūsų diferencialo linijos varža priklauso nuo tokių veiksnių kaip pėdsakų plotis, pėdsakų sujungimas, vario storis ir PCB medžiaga bei sluoksnių sudėtis. Apsvarstykite kiekvieną iš jų, stengdamiesi išvengti visko, kas pakeistų jūsų diferencialinės poros varžą.

Nenukreipkite didelės spartos signalų per tarpą tarp varinių zonų plokščiame sluoksnyje, nes tai taip pat turi įtakos jūsų varžai. Stenkitės vengti nutrūkimų įžeminimo plokštumose.

Išdėstymo rekomendacijos – perskaitykite, analizuokite ir permąstykite!

Ir galiausiai, yra vienas labai svarbus dalykas, kurį turite padaryti nukreipdami diferencialinius pėdsakus: gaukite duomenų lapą ir (arba) programos pastabas apie lustą, kuris siunčia arba gauna diferencialinį signalą, perskaitykite išdėstymo rekomendacijas ir analizuokite. juos glaudžiai. Tokiu būdu galite įgyvendinti geriausią įmanomą išdėstymą, atsižvelgiant į konkretaus dizaino apribojimus.

Išvada

Diferencialinis signalizavimas leidžia perduoti informaciją su žemesne įtampa, geru SNR, pagerintu atsparumu triukšmui ir didesniu duomenų perdavimo greičiu. Kita vertus, laidininkų skaičius didėja, o sistemai reikės specializuotų siųstuvų ir imtuvų, o ne standartinių skaitmeninių IC.

Šiais laikais diferencialiniai signalai yra daugelio standartų dalis, įskaitant LVDS, USB, CAN, RS-485 ir Ethernet, todėl mes visi turėtume būti (bent jau) susipažinę su šia technologija. Jei iš tikrųjų kuriate PCB su diferencialiniais signalais, nepamirškite perskaityti atitinkamų duomenų lapų ir programų pastabų ir, jei reikia, dar kartą perskaitykite šį straipsnį!

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas