Основе: једнострука и диференцијална сигнализација

Прво, морамо научити неке основе о томе шта је једносмерна сигнализација пре него што пређемо на диференцијалну сигнализацију и њене карактеристике.

Сингле-Ендед Сигналинг

Једнострука сигнализација је једноставан и уобичајен начин преноса електричног сигнала од пошиљаоца до примаоца. Електрични сигнал се преноси напоном (често променљивим напоном), који се односи на фиксни потенцијал, обично чвор од 0 В који се назива „уземљење“.

Један проводник носи сигнал, а један проводник носи заједнички референтни потенцијал. Струја повезана са сигналом путује од пошиљаоца до пријемника и враћа се у напајање преко уземљења. Ако се преноси више сигнала, коло ће захтевати један проводник за сваки сигнал плус једну заједничку везу уземљења; тако се, на пример, може пренети 16 сигнала помоћу 17 проводника.

 

Једнострука топологија

Диференцијална сигнализација

Диференцијална сигнализација, која је мање уобичајена од једносмерне сигнализације, користи два комплементарна сигнала напона да би пренела један информациони сигнал. Дакле, један информациони сигнал захтева пар проводника; један носи сигнал, а други носи обрнути сигнал.

 

Једноструки у односу на диференцијал: Генерички временски дијаграм

 

Пријемник издваја информације откривањем разлике потенцијала између инвертованог и неинвертованог сигнала. Два сигнала напона су „уравнотежена“, што значи да имају једнаку амплитуду и супротан поларитет у односу на напон заједничког мода. Повратне струје повезане са овим напонима су такође уравнотежене и на тај начин се међусобно поништавају; из тог разлога, можемо рећи да диференцијални сигнали имају (идеално) нулту струју која тече кроз уземљење.

Са диференцијалном сигнализацијом, пошиљалац и прималац не морају нужно да деле заједничку референцу уземљења. Међутим, употреба диференцијалне сигнализације не значи да разлике у потенцијалу земље између пошиљаоца и пријемника немају утицаја на рад кола.

Ако се преноси више сигнала, за сваки сигнал су потребна два проводника, а често је неопходно или барем корисно укључити уземљење, чак и када су сви сигнали диференцијални. Тако би, на пример, за пренос 16 сигнала била потребна 33 проводника (у поређењу са 17 за једнострани пренос). Ово показује очигледан недостатак диференцијалне сигнализације.

 

Топологија диференцијалне сигнализације

Предности диференцијалне сигнализације

Међутим, постоје важне предности диференцијалне сигнализације које могу више него да компензују повећан број проводника.

Нема повратне струје

Пошто немамо (идеално) повратну струју, референца уземљења постаје мање важна. Потенцијал земље може чак да буде различит код пошиљаоца и примаоца или да се креће у оквиру одређеног прихватљивог опсега. Међутим, морате бити опрезни јер диференцијална сигнализација спрегнута једносмерном струјом (као што је УСБ, РС-485, ЦАН) генерално захтева заједнички потенцијал земље како би се осигурало да сигнали остану унутар максималног и минималног дозвољеног заједничког напона интерфејса.

Отпорност на долазне ЕМИ и преслушавање

Ако се ЕМИ (електромагнетна сметња) или преслушавање (тј. ЕМИ генерисан од оближњих сигнала) унесе изван диференцијалних проводника, додаје се подједнако инвертованом и неинвертованом сигналу. Пријемник реагује на разлику у напону између два сигнала, а не на једнострани (тј. на уземљење) напон, и стога ће коло пријемника у великој мери смањити амплитуду сметњи или преслушавања.

Због тога су диференцијални сигнали мање осетљиви на ЕМИ, преслушавање или било који други шум који се спаја у оба сигнала диференцијалног пара.

Смањење одлазног ЕМИ-а и преслушавања

Брзи прелази, као што су растуће и опадајуће ивице дигиталних сигнала, могу генерисати значајне количине ЕМИ. И једнострани и диференцијални сигнали генеришу ЕМИ, али два сигнала у диференцијалном пару ће створити електромагнетна поља која су (идеално) једнака по величини, али супротна по поларности. Ово, у комбинацији са техникама које одржавају блиску близину између два проводника (као што је употреба кабла са упреденом паром), осигурава да ће се емисије из два проводника у великој мери поништити једна другу.

Рад на нижем напону

Једноструки сигнали морају одржавати релативно висок напон да би се обезбедио адекватан однос сигнал-шум (СНР). Уобичајени напони једностраног интерфејса су 3.3 В и 5 В. Због своје побољшане отпорности на шум, диференцијални сигнали могу да користе ниже напоне и да и даље одржавају адекватан СНР. Такође, СНР диференцијалне сигнализације се аутоматски повећава за фактор два у односу на еквивалентну сингле-енд имплементацију, јер је динамички опсег на диференцијалном пријемнику двоструко већи од динамичког опсега сваког сигнала унутар диференцијалног пара.

Могућност успешног преноса података коришћењем нижих напона сигнала долази са неколико важних предности:

• Могу се користити нижи напони напајања.
• Мањи прелази напона
  • смањити зрачења ЕМИ,
  • смањити потрошњу енергије, и
  • омогућавају веће радне фреквенције.

Високо или ниско стање и прецизан тајминг

Да ли сте се икада запитали како тачно одлучујемо да ли је сигнал у логичком високом или логичком ниском стању? У једноструким системима, морамо узети у обзир напон напајања, граничне карактеристике склопа пријемника, можда вредност референтног напона. И наравно, постоје варијације и толеранције, које уносе додатну несигурност у питање логичко-високо-логично-ниско.

У диференцијалним сигналима, одређивање логичког стања је једноставније. Ако је напон неинвертованог сигнала већи од напона инвертованог сигнала, имате високу логику. Ако је неинвертовани напон мањи од инвертованог напона, логички је низак. А прелаз између два стања је тачка у којој се укрштају неинвертовани и инвертовани сигнали—тј. тачка укрштања.

Ово је један од разлога зашто је важно ускладити дужине жица или трагова који носе диференцијалне сигнале: За максималну прецизност времена, желите да тачка укрштања тачно одговара логичком прелазу, али када два проводника у пару нису једнака дужине, разлика у кашњењу пропагације ће проузроковати померање тачке укрштања.

aplikacije

Тренутно постоји много стандарда интерфејса који користе диференцијалне сигнале. То укључује следеће:

• ЛВДС (нисконапонска диференцијална сигнализација)
• ЦМЛ (логика тренутног режима)
• РСКСНУМКС
• РСКСНУМКС
• етхернет
• ЦАН
• УСБ
• Избалансиран звук високог квалитета

Јасно је да су теоријске предности диференцијалне сигнализације потврђене практичном употребом у безброј апликација у стварном свету.

Основне ПЦБ технике за усмеравање диференцијалних трагова

На крају, хајде да научимо основе о томе како се диференцијални трагови рутирају на ПЦБ-има. Усмеравање диференцијалних сигнала може бити мало сложено, али постоје нека основна правила која процес чине једноставнијим.

Подударање дужине и дужине – нека буде једнака!

Диференцијални сигнали су (идеално) једнаки по величини и супротни по поларитету. Дакле, у идеалном случају, нето повратна струја неће тећи кроз земљу. Ово одсуство повратне струје је добра ствар, тако да желимо да све остане што је могуће идеалније, а то значи да су нам потребне једнаке дужине за два трага у диференцијалном пару.

Што је време пораста/пада вашег сигнала веће (не треба се мешати са фреквенцијом сигнала), то више морате да обезбедите да трагови имају идентичну дужину. Ваш програм распореда може да садржи функцију која вам помаже да фино подесите дужину трагова за диференцијалне парове. Ако имате потешкоћа да постигнете једнаку дужину, можете користити технику "меандер".

 

Пример вијугавог трага

Ширина и размак – нека буду константни!

Што су диференцијални проводници ближе, то ће бити боље спајање сигнала. Генерисани ЕМИ ће се ефикасније поништити, а примљени ЕМИ ће се више упарити у оба сигнала. Зато покушајте да их зближите.

Требало би да усмерите проводнике диференцијалног пара што је даље могуће од суседних сигнала, како бисте избегли сметње. Ширина и размак између ваших трагова треба да буде изабран у складу са циљном импедансом и треба да остане константан током целе дужине трагова. Дакле, ако је могуће, трагови би требали остати паралелни док путују око ПЦБ-а.

Импеданса – минимизирајте варијације!

Једна од најважнијих ствари које треба урадити када дизајнирате ПЦБ са диференцијалним сигналима је да сазнате циљну импедансу за вашу апликацију, а затим поставите своје диференцијалне парове у складу са тим. Такође, нека варијације импедансе буду што је могуће мање.

Импеданса ваше диференцијалне линије зависи од фактора као што су ширина трага, спајање трагова, дебљина бакра и материјал ПЦБ-а и слагање слојева. Размотрите сваки од њих док покушавате да избегнете било шта што мења импедансу вашег диференцијалног пара.

Немојте усмеравати сигнале велике брзине преко размака између бакарних области на равном слоју, јер то такође утиче на вашу импедансу. Покушајте да избегнете дисконтинуитет у земаљским равнима.

Препоруке за распоред – прочитајте, анализирајте и размислите о њима!

И, на крају, али не и најмање важно, постоји једна веома важна ствар коју морате да урадите приликом рутирања диференцијалних трагова: Набавите лист са подацима и/или напомене о апликацији за чип који шаље или прима диференцијални сигнал, прочитајте препоруке за распоред и анализирајте њима блиско. На овај начин можете имплементирати најбољи могући распоред унутар ограничења одређеног дизајна.

Zakljucak

Диференцијална сигнализација нам омогућава да преносимо информације са нижим напонима, добрим СНР-ом, побољшаном отпорношћу на буку и већим брзинама података. С друге стране, број проводника се повећава и систему ће бити потребни специјализовани предајници и пријемници уместо стандардних дигиталних ИЦ-а.

Данас су диференцијални сигнали део многих стандарда, укључујући ЛВДС, УСБ, ЦАН, РС-485 и Етхернет, и стога би сви требали (у најмању руку) бити упознати са овом технологијом. Ако заправо дизајнирате ПЦБ са диференцијалним сигналима, не заборавите да консултујете релевантне листове са подацима и белешке о апликацијама и ако је потребно поново прочитајте овај чланак!

Остави поруку 

Листа порука