De basis: enkelzijdige en differentiële signalering

Eerst moeten we enkele basisprincipes leren over wat single-ended signalering is voordat we differentiële signalering en de kenmerken ervan kunnen bespreken.

Single-ended signalering

Single-ended signalering is een eenvoudige en gebruikelijke manier om een ​​elektrisch signaal van een zender naar een ontvanger te verzenden. Het elektrische signaal wordt verzonden door een spanning (vaak een variërende spanning), die verwijst naar een vast potentiaal, meestal een 0 V-knooppunt dat 'aarde' wordt genoemd.

Eén geleider draagt ​​het signaal en één geleider draagt ​​het gemeenschappelijke referentiepotentiaal. De stroom die bij het signaal hoort, gaat van zender naar ontvanger en keert terug naar de voeding via de aardverbinding. Als er meerdere signalen worden verzonden, heeft het circuit één geleider nodig voor elk signaal plus één gedeelde aardverbinding; zo kunnen bijvoorbeeld 16 signalen worden verzonden met 17 geleiders.

 

Single-ended topologie

Differentiële signalering

Differentiële signalering, die minder gebruikelijk is dan enkelzijdige signalering, maakt gebruik van twee complementaire spanningssignalen om één informatiesignaal te verzenden. Voor één informatiesignaal heb je dus een paar geleiders nodig; de ene draagt ​​het signaal en de andere draagt ​​het geïnverteerde signaal.

 

Single-ended versus differentieel: algemeen timingdiagram

 

De ontvanger extraheert informatie door het potentiaalverschil tussen de geïnverteerde en niet-geïnverteerde signalen te detecteren. De twee spanningssignalen zijn "gebalanceerd", wat betekent dat ze een gelijke amplitude en tegengestelde polariteit hebben ten opzichte van een common-mode-spanning. De retourstromen die bij deze spanningen horen, zijn ook gebalanceerd en heffen elkaar dus op; om deze reden kunnen we zeggen dat differentiële signalen (idealiter) nulstroom door de aardverbinding hebben.

Bij differentiële signalering delen de zender en ontvanger niet noodzakelijk een gemeenschappelijke grondreferentie. Het gebruik van differentiële signalering betekent echter niet dat verschillen in aardpotentiaal tussen zender en ontvanger geen effect hebben op de werking van de schakeling.

Als er meerdere signalen worden verzonden, zijn er twee geleiders nodig voor elk signaal, en het is vaak noodzakelijk of op zijn minst voordelig om een ​​aardverbinding op te nemen, zelfs als alle signalen differentieel zijn. Zo zouden bijvoorbeeld voor het verzenden van 16 signalen 33 geleiders nodig zijn (vergeleken met 17 voor single-ended transmissie). Dit toont een duidelijk nadeel van differentiële signalering aan.

 

Differentiële signaleringstopologie

Voordelen van differentiële signalering

Er zijn echter belangrijke voordelen van differentiële signalering die het verhoogde aantal geleiders ruimschoots kunnen compenseren.

Geen retourstroom

Omdat we (idealiter) geen retourstroom hebben, wordt de grondreferentie minder belangrijk. Het aardpotentiaal kan zelfs verschillend zijn bij de zender en ontvanger of zich verplaatsen binnen een bepaald acceptabel bereik. U moet echter voorzichtig zijn omdat DC-gekoppelde differentiële signalering (zoals USB, RS-485, CAN) over het algemeen een gedeeld aardpotentiaal vereist om ervoor te zorgen dat de signalen binnen de maximaal en minimaal toegestane common-mode-spanning van de interface blijven.

Weerstand tegen inkomende EMI en overspraak

Als EMI (elektromagnetische interferentie) of overspraak (dwz EMI gegenereerd door nabije signalen) van buiten de differentiële geleiders wordt geïntroduceerd, wordt deze gelijkelijk opgeteld bij het geïnverteerde en niet-geïnverteerde signaal. De ontvanger reageert op het verschil in spanning tussen de twee signalen en niet op de single-ended (dwz aardreferentie) spanning, en dus zal het ontvangercircuit de amplitude van de interferentie of overspraak aanzienlijk verminderen.

Dit is de reden waarom differentiële signalen minder gevoelig zijn voor EMI, overspraak of andere ruis die wordt gekoppeld aan beide signalen van het differentiële paar.

Vermindering van uitgaande EMI en overspraak

Snelle overgangen, zoals de stijgende en dalende flanken van digitale signalen, kunnen aanzienlijke hoeveelheden EMI genereren. Zowel enkelzijdige als differentiële signalen genereren EMI, maar de twee signalen in een differentieel paar zullen elektromagnetische velden creëren die (idealiter) gelijk zijn in grootte maar tegengesteld in polariteit. Dit, in combinatie met technieken die de twee geleiders dicht bij elkaar houden (zoals het gebruik van twisted-pair kabel), zorgt ervoor dat de emissies van de twee geleiders elkaar grotendeels opheffen.

Werking met lagere spanning

Single-ended signalen moeten een relatief hoge spanning behouden om een ​​adequate signaal-ruisverhouding (SNR) te garanderen. Gemeenschappelijke single-ended interfacespanningen zijn 3.3 V en 5 V. Vanwege hun verbeterde weerstand tegen ruis, kunnen differentiële signalen lagere spanningen gebruiken en toch voldoende SNR behouden. Ook wordt de SNR van differentiële signalering automatisch met een factor twee verhoogd ten opzichte van een equivalente enkelzijdige implementatie, omdat het dynamische bereik bij de differentiële ontvanger twee keer zo hoog is als het dynamische bereik van elk signaal binnen het differentiële paar.

De mogelijkheid om gegevens succesvol over te dragen met lagere signaalspanningen heeft een aantal belangrijke voordelen:

• Er kunnen lagere voedingsspanningen worden gebruikt.
• Kleinere spanningsovergangen
  • uitgestraalde EMI verminderen,
  • stroomverbruik verminderen, en
  • hogere werkfrequenties mogelijk maken.

Hoge of lage staat en nauwkeurige timing

Heb je je ooit afgevraagd hoe we precies bepalen of een signaal zich in een logisch-hoge of logisch-lage toestand bevindt? In single-ended systemen moeten we rekening houden met de voedingsspanning, de drempelkarakteristieken van de ontvangerschakelingen, misschien de waarde van een referentiespanning. En natuurlijk zijn er variaties en toleranties, die extra onzekerheid in de logica-hoog-of-logisch-laag vraag brengen.

In differentiële signalen is het bepalen van de logische status eenvoudiger. Als de spanning van het niet-geïnverteerde signaal hoger is dan de spanning van het geïnverteerde signaal, heb je logisch hoog. Als de niet-geïnverteerde spanning lager is dan de geïnverteerde spanning, heb je logisch laag. En de overgang tussen de twee toestanden is het punt waarop de niet-geïnverteerde en geïnverteerde signalen elkaar kruisen - dat wil zeggen, het kruispunt.

Dit is een van de redenen waarom het belangrijk is om de lengtes van draden of sporen die differentiële signalen dragen op elkaar af te stemmen: voor maximale timing-precisie wilt u dat het kruispunt exact overeenkomt met de logische overgang, maar wanneer de twee geleiders in het paar niet gelijk zijn lengte, zal het verschil in voortplantingsvertraging ervoor zorgen dat het kruispunt verschuift.

Toepassingen

Er zijn momenteel veel interfacestandaarden die differentiële signalen gebruiken. Deze omvatten het volgende:

• LVDS (Laagspanning Differentiële Signalering)
• CML (huidige moduslogica)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Gebalanceerde audio van hoge kwaliteit

Het is duidelijk dat de theoretische voordelen van differentiële signalering zijn bevestigd door praktisch gebruik in talloze real-world toepassingen.

Basis PCB-technieken voor het routeren van differentiële sporen

Laten we tot slot de basis leren van hoe differentiële sporen op PCB's worden gerouteerd. Het routeren van differentiële signalen kan een beetje ingewikkeld zijn, maar er zijn enkele basisregels die het proces eenvoudiger maken.

Lengte en lengte matchen - houd het gelijk!

Differentiële signalen zijn (idealiter) gelijk in grootte en tegengesteld in polariteit. In het ideale geval zal er dus geen netto retourstroom door aarde vloeien. Deze afwezigheid van retourstroom is een goede zaak, dus we willen alles zo ideaal mogelijk houden, en dat betekent dat we gelijke lengtes nodig hebben voor de twee sporen in een differentieel paar.

Hoe hoger de stijg/daaltijd van je signaal (niet te verwarren met de frequentie van het signaal), hoe meer je ervoor moet zorgen dat de sporen dezelfde lengte hebben. Uw lay-outprogramma kan een functie bevatten waarmee u de lengte van sporen voor differentiële paren nauwkeurig kunt afstemmen. Als je moeite hebt om gelijke lengte te bereiken, kun je de "meander"-techniek gebruiken.

 

Een voorbeeld van een meanderend spoor

Breedte en afstand - Houd het constant!

Hoe dichter de differentiaalgeleiders zijn, hoe beter de koppeling van de signalen zal zijn. Gegenereerde EMI zal effectiever worden opgeheven en ontvangen EMI zal meer gelijk in beide signalen worden gekoppeld. Probeer ze dus heel dicht bij elkaar te brengen.

U moet de differentiaalpaargeleiders zo ver mogelijk van naburige signalen wegleggen om interferentie te voorkomen. De breedte van en de ruimte tussen uw sporen moet worden geselecteerd op basis van de doelimpedantie en moet constant blijven over de gehele lengte van de sporen. Dus, indien mogelijk, moeten de sporen parallel blijven terwijl ze rond de PCB reizen.

Impedantie – Minimaliseer variaties!

Een van de belangrijkste dingen die u moet doen bij het ontwerpen van een PCB met differentiële signalen, is om de doelimpedantie voor uw toepassing te achterhalen en vervolgens uw differentiële paren dienovereenkomstig in te delen. Houd ook impedantievariaties zo klein mogelijk.

De impedantie van uw differentiële lijn hangt af van factoren zoals de breedte van het spoor, de koppeling van de sporen, de koperdikte en de materiaal- en laagstapeling van de PCB. Overweeg elk van deze terwijl u alles probeert te vermijden dat de impedantie van uw differentiële paar verandert.

Leid geen hogesnelheidssignalen over een opening tussen koperen gebieden op een vlakke laag, omdat dit ook uw impedantie beïnvloedt. Probeer onderbrekingen in grondvlakken te vermijden.

Lay-outaanbevelingen - lees, analyseer en overdenk ze!

En, last but not least, er is één heel belangrijk ding dat u moet doen bij het routeren van differentiële traceringen: verkrijg de datasheet en/of toepassingsnotities voor de chip die het differentiële signaal verzendt of ontvangt, lees de lay-outaanbevelingen door en analyseer ze nauw. Op deze manier kunt u de best mogelijke lay-out implementeren binnen de beperkingen van een bepaald ontwerp.

Conclusie

Differentiële signalering stelt ons in staat om informatie te verzenden met lagere spanningen, goede SNR, verbeterde immuniteit voor ruis en hogere gegevenssnelheden. Aan de andere kant neemt het aantal geleiders toe en heeft het systeem gespecialiseerde zenders en ontvangers nodig in plaats van standaard digitale IC's.

Tegenwoordig maken differentiële signalen deel uit van veel standaarden, waaronder LVDS, USB, CAN, RS-485 en Ethernet, en daarom zouden we allemaal (op zijn minst) bekend moeten zijn met deze technologie. Als u daadwerkelijk een printplaat met differentiële signalen ontwerpt, denk er dan aan om de relevante datasheets en app-notities te raadplegen en lees indien nodig dit artikel opnieuw!

Laat een bericht achter 

Message List