Conceptes bàsics: senyalització diferencial i unilateral

En primer lloc, hem d'aprendre alguns conceptes bàsics sobre què és la senyalització d'un sol extrem abans de poder repassar la senyalització diferencial i les seves característiques.

Senyalització d'un sol extrem

La senyalització d'un sol extrem és una forma senzilla i comuna de transmetre un senyal elèctric d'un emissor a un receptor. El senyal elèctric es transmet per una tensió (sovint una tensió variable), que es fa referència a un potencial fix, normalment un node de 0 V anomenat "terra".

Un conductor porta el senyal i un conductor porta el potencial de referència comú. El corrent associat al senyal viatja de l'emissor al receptor i torna a la font d'alimentació a través de la connexió a terra. Si es transmeten diversos senyals, el circuit necessitarà un conductor per a cada senyal més una connexió a terra compartida; així, per exemple, es poden transmetre 16 senyals mitjançant 17 conductors.

 

Topologia d'un sol extrem

Senyalització diferencial

La senyalització diferencial, que és menys comuna que la senyalització d'un sol extrem, utilitza dos senyals de voltatge complementaris per transmetre un senyal d'informació. Per tant, un senyal d'informació requereix un parell de conductors; un porta el senyal i l'altre porta el senyal invertit.

 

Unic vs diferencial: diagrama de temps genèric

 

El receptor extreu informació detectant la diferència de potencial entre els senyals invertits i no invertits. Els dos senyals de tensió estan "equilibrats", és a dir, tenen la mateixa amplitud i polaritat oposada en relació a una tensió de mode comú. Els corrents de retorn associats a aquestes tensions també s'equilibren i, per tant, s'anul·len mútuament; per aquest motiu, podem dir que els senyals diferencials tenen (idealment) corrent nul que flueix per la connexió de terra.

Amb la senyalització diferencial, l'emissor i el receptor no comparteixen necessàriament una referència de terra comuna. Tanmateix, l'ús de senyalització diferencial no vol dir que les diferències de potencial de terra entre emissor i receptor no tinguin cap efecte en el funcionament del circuit.

Si es transmeten diversos senyals, es necessiten dos conductors per a cada senyal, i sovint és necessari o almenys beneficiós incloure una connexió a terra, fins i tot quan tots els senyals són diferencials. Així, per exemple, transmetre 16 senyals requeriria 33 conductors (en comparació amb 17 per a la transmissió d'un sol extrem). Això demostra un desavantatge evident de la senyalització diferencial.

 

Topologia de senyalització diferencial

Beneficis de la senyalització diferencial

Tanmateix, hi ha avantatges importants de la senyalització diferencial que poden compensar amb escreix l'augment del nombre de conductors.

Sense corrent de retorn

Com que no tenim (idealment) cap corrent de retorn, la referència de terra es torna menys important. El potencial de terra fins i tot pot ser diferent a l'emissor i al receptor o moure's dins d'un cert rang acceptable. Tanmateix, heu de tenir cura perquè la senyalització diferencial acoblada a CC (com USB, RS-485, CAN) generalment requereix un potencial de terra compartit per garantir que els senyals es mantinguin dins de la tensió de mode comú màxima i mínima admissible de la interfície.

Resistència a EMI entrants i diafonia

Si s'introdueix EMI (interferència electromagnètica) o diafonia (és a dir, EMI generada per senyals propers) des de fora dels conductors diferencials, s'afegeix igualment al senyal invertit i no invertit. El receptor respon a la diferència de tensió entre els dos senyals i no a la tensió d'un sol extrem (és a dir, de referència a terra), i per tant el circuit del receptor reduirà molt l'amplitud de la interferència o la diafonia.

És per això que els senyals diferencials són menys sensibles a l'EMI, la diafonia o qualsevol altre soroll que s'acobla als dos senyals del parell diferencial.

Reducció d'EMI i diafonia sortints

Les transicions ràpides, com ara les vores ascendents i descendents dels senyals digitals, poden generar quantitats importants d'EMI. Tant els senyals diferencials com els unilaterals generen EMI, però els dos senyals en un parell diferencial crearan camps electromagnètics que són (idealment) iguals en magnitud però oposats en polaritat. Això, juntament amb tècniques que mantenen la proximitat entre els dos conductors (com ara l'ús de cables de parell trenat), garanteix que les emissions dels dos conductors s'anul·lin en gran mesura.

Funcionament amb baixa tensió

Els senyals d'un sol extrem han de mantenir una tensió relativament alta per garantir una relació senyal-soroll (SNR) adequada. Les tensions comunes d'interfície d'un sol extrem són de 3.3 V i 5 V. A causa de la seva resistència millorada al soroll, els senyals diferencials poden utilitzar tensions més baixes i mantenir una SNR adequada. A més, el SNR de la senyalització diferencial augmenta automàticament en un factor de dos en relació amb una implementació equivalent d'un sol extrem, perquè el rang dinàmic al receptor diferencial és el doble que el rang dinàmic de cada senyal dins del parell diferencial.

La capacitat de transferir dades amb èxit mitjançant tensions de senyal més baixes inclou alguns avantatges importants:

• Es poden utilitzar tensions d'alimentació més baixes.
• Transicions de voltatge més petites
  • reduir l'EMI radiada,
  • reduir el consum d'energia, i
  • permeten freqüències de funcionament més altes.

Estat alt o baix i temps precís

Alguna vegada us heu preguntat com decidim exactament si un senyal es troba en estat lògic-alt o lògic-baix? En els sistemes d'un sol extrem, hem de considerar la tensió d'alimentació, les característiques de llindar dels circuits receptors, potser el valor d'una tensió de referència. I, per descomptat, hi ha variacions i toleràncies, que aporten incertesa addicional a la qüestió lògica-alta o lògica-baixa.

En els senyals diferencials, determinar l'estat lògic és més senzill. Si el voltatge del senyal no invertit és més alt que el voltatge del senyal invertit, la lògica és alta. Si la tensió no invertida és inferior a la tensió invertida, la lògica és baixa. I la transició entre els dos estats és el punt en què els senyals no invertits i els invertits es tallen, és a dir, el punt d'encreuament.

Aquesta és una de les raons per les quals és important fer coincidir les longituds dels cables o traces que transporten senyals diferencials: per obtenir la màxima precisió de temporització, voleu que el punt d'encreuament correspongui exactament a la transició lògica, però quan els dos conductors del parell no són iguals. longitud, la diferència de retard de propagació farà que el punt d'encreuament es desplaci.

Aplicacions

Actualment hi ha molts estàndards d'interfície que utilitzen senyals diferencials. Aquests inclouen els següents:

• LVDS (senyalització diferencial de baixa tensió)
• CML (Mode lògic actual)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Àudio equilibrat d'alta qualitat

Clarament, els avantatges teòrics de la senyalització diferencial s'han confirmat mitjançant l'ús pràctic en innombrables aplicacions del món real.

Tècniques bàsiques de PCB per encaminar traces diferencials

Finalment, anem a conèixer els conceptes bàsics de com s'encaminen les traces diferencials als PCB. L'encaminament de senyals diferencials pot ser una mica complex, però hi ha algunes regles bàsiques que fan que el procés sigui més senzill.

Coincidència de longitud i longitud: manteniu-ho igual!

Els senyals diferencials són (idealment) iguals en magnitud i oposats en polaritat. Així, en el cas ideal, cap corrent de retorn net circularà pel terra. Aquesta absència de corrent de retorn és una bona cosa, així que volem mantenir-ho tot el més ideal possible, i això vol dir que necessitem longituds iguals per a les dues traces en un parell diferencial.

Com més gran sigui el temps de pujada/caiguda del vostre senyal (que no s'ha de confondre amb la freqüència del senyal), més haureu d'assegurar-vos que les traces tinguin la mateixa longitud. El vostre programa de disseny pot incloure una funció que us ajudi a ajustar la longitud de les traces per a parells diferencials. Si teniu dificultats per aconseguir la mateixa longitud, podeu utilitzar la tècnica del "meandre".

 

Un exemple de rastre serpentejat

Amplada i espai: mantingueu-lo constant!

Com més propers estiguin els conductors diferencials, millor serà l'acoblament dels senyals. L'EMI generat es cancel·larà de manera més eficaç i l'EMI rebuda s'acoblarà de manera més igual als dos senyals. Així que intenteu apropar-los molt junts.

Hauríeu de dirigir els conductors del parell diferencial tan lluny com sigui possible dels senyals veïns, per tal d'evitar interferències. L'amplada i l'espai entre les traces s'han de seleccionar segons la impedància objectiu i s'han de mantenir constants durant tota la longitud de les traces. Així, si és possible, les traces haurien de romandre paral·leles mentre viatgen al voltant del PCB.

Impedància: minimitza les variacions!

Una de les coses més importants que cal fer quan es dissenya una PCB amb senyals diferencials és esbrinar la impedància objectiu de la seva aplicació i, a continuació, disposar els seus parells diferencials en conseqüència. A més, mantingueu les variacions d'impedància tan petites com sigui possible.

La impedància de la vostra línia diferencial depèn de factors com l'amplada de la traça, l'acoblament de les traces, el gruix del coure i el material i l'apilament de capes de la PCB. Tingueu en compte cadascun d'ells mentre intenteu evitar qualsevol cosa que canviï la impedància del vostre parell diferencial.

No encamineu senyals d'alta velocitat per un espai entre zones de coure d'una capa plana, perquè això també afecta la vostra impedància. Intenta evitar discontinuïtats en els plans de terra.

Recomanacions de disseny: llegiu-les, analitzeu-les i penseu-hi!

I, per últim, però no menys important, hi ha una cosa molt important que heu de fer a l'hora d'encaminar traces diferencials: obtenir el full de dades i/o notes d'aplicació per al xip que està enviant o rebent el senyal diferencial, llegiu les recomanacions de disseny i analitzeu-les. ells de prop. D'aquesta manera podeu implementar el millor disseny possible dins de les limitacions d'un disseny concret.

Conclusió

La senyalització diferencial ens permet transmetre informació amb voltatges més baixos, bona SNR, immunitat millorada al soroll i velocitats de dades més altes. D'altra banda, el nombre de conductors augmenta i el sistema necessitarà transmissors i receptors especialitzats en comptes de circuits integrats digitals estàndard.

Avui en dia, els senyals diferencials formen part de molts estàndards, com ara LVDS, USB, CAN, RS-485 i Ethernet, i per tant tots hauríem d'estar (com a mínim) familiaritzats amb aquesta tecnologia. Si realment esteu dissenyant un PCB amb senyals diferencials, recordeu consultar els fulls de dades rellevants i les notes de l'aplicació i, si cal, llegiu aquest article de nou!

Deixa un missatge 

Llista de missatges