Pamati: viena gala un diferenciālā signalizācija

Pirmkārt, mums ir jāapgūst daži pamati par to, kas ir viena gala signalizācija, pirms mēs varam aplūkot diferenciālo signalizāciju un tās īpašības.

Viena gala signalizācija

Viena gala signalizācija ir vienkāršs un izplatīts veids, kā pārraidīt elektrisko signālu no sūtītāja uz uztvērēju. Elektrisko signālu pārraida ar spriegumu (bieži mainīgu spriegumu), kas ir saistīts ar fiksētu potenciālu, parasti 0 V mezglu, ko dēvē par "zemi".

Viens vadītājs nes signālu un viens vadītājs nes kopējo atskaites potenciālu. Ar signālu saistītā strāva virzās no sūtītāja uz uztvērēju un caur zemējuma savienojumu atgriežas barošanas avotā. Ja tiek pārraidīti vairāki signāli, ķēdei būs nepieciešams viens vadītājs katram signālam plus viens kopīgs zemējuma savienojums; tādējādi, piemēram, var pārraidīt 16 signālus, izmantojot 17 vadītājus.

 

Viena gala topoloģija

Diferenciālā signalizācija

Diferenciālā signalizācija, kas ir retāk sastopama nekā viena gala signalizācija, izmanto divus komplementārus sprieguma signālus, lai pārraidītu vienu informācijas signālu. Tātad vienam informācijas signālam ir nepieciešams vadu pāris; viens nes signālu, bet otrs - apgriezto signālu.

 

Viena gala un diferenciālis: vispārīga laika diagramma

 

Uztvērējs iegūst informāciju, nosakot potenciālo atšķirību starp apgrieztajiem un neapgrieztajiem signāliem. Abi sprieguma signāli ir "līdzsvaroti", kas nozīmē, ka tiem ir vienāda amplitūda un pretēja polaritāte attiecībā pret kopējā režīma spriegumu. Ar šiem spriegumiem saistītās atgriešanās strāvas arī ir līdzsvarotas un tādējādi viena otru atceļ; šī iemesla dēļ mēs varam teikt, ka diferenciālajiem signāliem (ideālā gadījumā) caur zemējuma savienojumu plūst nulles strāva.

Izmantojot diferenciālo signalizāciju, sūtītājam un saņēmējam ne vienmēr ir kopīga zemes atsauce. Tomēr diferenciālās signalizācijas izmantošana nenozīmē, ka zemes potenciāla atšķirības starp sūtītāju un uztvērēju neietekmē ķēdes darbību.

Ja tiek pārraidīti vairāki signāli, katram signālam ir nepieciešami divi vadītāji, un bieži vien ir nepieciešams vai vismaz izdevīgi iekļaut zemējuma savienojumu, pat ja visi signāli ir diferencēti. Tā, piemēram, lai pārraidītu 16 signālus, būtu nepieciešami 33 vadītāji (salīdzinot ar 17 viena gala pārraidei). Tas parāda acīmredzamu diferenciālās signalizācijas trūkumu.

 

Diferenciālās signalizācijas topoloģija

Diferenciālās signalizācijas priekšrocības

Tomēr diferenciālajai signalizācijai ir svarīgas priekšrocības, kas var vairāk nekā kompensēt palielināto vadītāju skaitu.

Nav atgriešanās strāvas

Tā kā mums (ideālā gadījumā) nav atgriešanās strāvas, zemējuma atsauce kļūst mazāk svarīga. Zemes potenciāls var pat atšķirties pie sūtītāja un uztvērēja vai pārvietojoties noteiktā pieņemamā diapazonā. Tomēr jums ir jābūt uzmanīgiem, jo ​​ar līdzstrāvu savienotai diferenciālajai signalizācijai (piemēram, USB, RS-485, CAN) parasti ir nepieciešams kopīgs zemējuma potenciāls, lai nodrošinātu, ka signāli paliek saskarnes maksimālā un minimālā pieļaujamā kopējā režīma sprieguma robežās.

Izturība pret ienākošo EMI un šķērsrunu

Ja EMI (elektromagnētiskie traucējumi) vai šķērsruna (ti, EMI, ko rada blakus esošie signāli) tiek ievadīts no diferenciālvadu ārpuses, tas tiek vienādi pievienots apgrieztajam un neapgrieztajam signālam. Uztvērējs reaģē uz sprieguma atšķirību starp diviem signāliem, nevis uz viena gala (ti, uz zemes atsauces) spriegumu, un tādējādi uztvērēja shēma ievērojami samazinās traucējumu vai šķērsrunas amplitūdu.

Tāpēc diferenciālie signāli ir mazāk jutīgi pret EMI, šķērsrunu vai jebkuru citu troksni, kas savienojas ar abiem diferenciālā pāra signāliem.

Izejošo EMI un šķērsrunu samazināšana

Straujas pārejas, piemēram, digitālo signālu augošās un krītošās malas, var radīt ievērojamu daudzumu EMI. Gan viena gala, gan diferenciālie signāli rada EMI, bet divi signāli diferenciālā pārī radīs elektromagnētiskos laukus, kas (ideālā gadījumā) ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji polaritātei. Tas kopā ar paņēmieniem, kas nodrošina abu vadītāju tuvumu (piemēram, vītā pāra kabeļa izmantošana), nodrošina, ka abu vadītāju emisijas lielā mērā izslēgs viena otru.

Darbība ar zemāku spriegumu

Viena gala signāliem jāuztur relatīvi augsts spriegums, lai nodrošinātu adekvātu signāla un trokšņa attiecību (SNR). Parastie viena gala saskarnes spriegumi ir 3.3 V un 5 V. Pateicoties uzlabotajai pretestībai pret troksni, diferenciālie signāli var izmantot zemākus spriegumus un joprojām uzturēt atbilstošu SNR. Arī diferenciālās signalizācijas SNR tiek automātiski palielināts par diviem koeficientiem attiecībā pret līdzvērtīgu viena gala ieviešanu, jo diferenciālā uztvērēja dinamiskais diapazons ir divreiz lielāks par katra signāla dinamisko diapazonu diferenciālā pārī.

Iespējai veiksmīgi pārsūtīt datus, izmantojot zemāku signāla spriegumu, ir dažas svarīgas priekšrocības:

• Var izmantot zemākus barošanas spriegumus.
• Mazākas sprieguma pārejas
  • samazināt izstaroto EMI,
  • samazināt enerģijas patēriņu un
  • pieļauj augstākas darbības frekvences.

Augsts vai zems stāvoklis un precīzs laiks

Vai esat kādreiz domājis, kā tieši mēs izlemjam, vai signālam ir loģiski augsts vai zems loģikas līmenis? Viengala sistēmās mums ir jāņem vērā barošanas spriegums, uztvērēja shēmas sliekšņa raksturlielumi, iespējams, atsauces sprieguma vērtība. Un, protams, ir atšķirības un pielaides, kas rada papildu nenoteiktību jautājumā par loģiku - augsts vai loģikas zems.

Diferenciālajos signālos loģiskā stāvokļa noteikšana ir vienkāršāka. Ja neapgrieztā signāla spriegums ir augstāks par apgrieztā signāla spriegumu, jums ir augsts loģikas līmenis. Ja neapgrieztais spriegums ir zemāks par apgriezto spriegumu, jums ir zema loģika. Un pāreja starp abiem stāvokļiem ir punkts, kurā krustojas neapgrieztie un apgrieztie signāli, ti, krustošanās punkts.

Šis ir viens no iemesliem, kāpēc ir svarīgi saskaņot vadu garumus vai pēdas, kas nes diferenciālos signālus. Lai nodrošinātu maksimālu laika precizitāti, ir nepieciešams, lai pārejas punkts precīzi atbilstu loģiskajai pārejai, bet ja abi vadītāji pārī nav vienādi. garums, izplatīšanās aizkaves atšķirība izraisīs krustošanās punkta nobīdi.

Aplikācijas

Pašlaik ir daudz saskarnes standartu, kas izmanto diferenciālos signālus. Tie ietver:

• LVDS (zemsprieguma diferenciālā signalizācija)
• CML (pašreizējā režīma loģika)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Augstas kvalitātes sabalansēts audio

Skaidrs, ka diferenciālās signalizācijas teorētiskās priekšrocības ir apstiprinājušas praktiska izmantošana neskaitāmos reālās pasaules lietojumos.

Pamata PCB metodes diferenciālo pēdu maršrutēšanai

Visbeidzot, apgūsim pamatus, kā diferenciālās pēdas tiek maršrutētas uz PCB. Diferenciālo signālu maršrutēšana var būt nedaudz sarežģīta, taču ir daži pamatnoteikumi, kas procesu padara vienkāršāku.

Garuma un garuma saskaņošana — saglabājiet to vienādu!

Diferenciālie signāli (ideālā gadījumā) ir vienādi pēc lieluma un pretēji polaritātei. Tādējādi ideālā gadījumā tīrā atgriešanās strāva neplūst caur zemi. Šī atgriešanās strāvas trūkums ir laba lieta, tāpēc mēs vēlamies, lai viss būtu pēc iespējas ideālāks, un tas nozīmē, ka mums ir nepieciešami vienādi garumi abām diferenciālā pāra trasēm.

Jo lielāks ir jūsu signāla pieauguma/krituma laiks (nejaukt ar signāla frekvenci), jo vairāk jums ir jānodrošina, lai pēdas būtu vienāda garuma. Jūsu izkārtojuma programmā var būt iekļauta funkcija, kas palīdz precīzi noregulēt diferenciālo pāru trasēšanas garumu. Ja jums ir grūtības sasniegt vienādu garumu, varat izmantot "meander" tehniku.

 

Līkuļotas pēdas piemērs

Platums un atstarpes — saglabājiet to nemainīgu!

Jo tuvāk ir diferenciālie vadītāji, jo labāka būs signālu savienošana. Ģenerētais EMI tiks efektīvāk atcelts, un saņemtais EMI tiks vienādi savienots abos signālos. Tāpēc mēģiniet tos tuvināt kopā.

Lai izvairītos no traucējumiem, diferenciālo pāru vadītāji jānovirza pēc iespējas tālāk no blakus signāliem. Trases platums un atstarpe starp tām ir jāizvēlas atbilstoši mērķa pretestībai, un tai jāpaliek nemainīgam visā trases garumā. Tātad, ja iespējams, pēdām jāpaliek paralēlām, kad tās pārvietojas ap PCB.

Impedance – samaziniet variācijas!

Viena no vissvarīgākajām lietām, kas jādara, izstrādājot PCB ar diferenciālajiem signāliem, ir noskaidrot mērķa pretestību jūsu lietojumprogrammai un pēc tam attiecīgi izkārtot diferenciālpārus. Tāpat saglabājiet pēc iespējas mazākas pretestības svārstības.

Jūsu diferenciāllīnijas pretestība ir atkarīga no tādiem faktoriem kā trases platums, sliežu ceļa savienojums, vara biezums un PCB materiāla un slāņu sakraušana. Apsveriet katru no tiem, cenšoties izvairīties no visa, kas maina jūsu diferenciālā pāra pretestību.

Nevirziet ātrdarbīgus signālus pa atstarpi starp vara zonām plakanā slānī, jo tas ietekmē arī jūsu pretestību. Centieties izvairīties no pārtraukumiem zemes plaknēs.

Izkārtojuma ieteikumi — izlasiet, analizējiet un pārdomājiet tos!

Un, visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, ir viena ļoti svarīga lieta, kas jums jādara, maršrutējot diferenciālās pēdas: iegūstiet datu lapu un/vai lietojumprogrammas piezīmes mikroshēmai, kas sūta vai saņem diferenciālo signālu, izlasiet izkārtojuma ieteikumus un analizējiet. tos cieši. Tādā veidā jūs varat ieviest vislabāko iespējamo izkārtojumu konkrēta dizaina ierobežojumu ietvaros.

Secinājumi

Diferenciālā signalizācija ļauj pārraidīt informāciju ar zemāku spriegumu, labu SNR, uzlabotu trokšņu noturību un lielāku datu pārraides ātrumu. No otras puses, vadītāju skaits palielinās, un sistēmai būs nepieciešami specializēti raidītāji un uztvērēji, nevis standarta digitālie IC.

Mūsdienās diferenciālie signāli ir daļa no daudziem standartiem, tostarp LVDS, USB, CAN, RS-485 un Ethernet, un tāpēc mums visiem vajadzētu būt (vismaz) pazīstamiem ar šo tehnoloģiju. Ja patiesībā plānojat PCB ar diferenciāliem signāliem, neaizmirstiet iepazīties ar attiecīgajām datu lapām un lietotņu piezīmēm un, ja nepieciešams, vēlreiz izlasiet šo rakstu!

Atstāj ziņu 

Message saraksts