Az alapok: egyvégű és differenciális jelzés

Először is meg kell tanulnunk néhány alapvetést arról, hogy mi az egyvégű jelzés, mielőtt áttekinthetnénk a differenciális jelzéseket és jellemzőit.

Egyvégű jelzés

Az egyvégű jelzés egyszerű és általános módja az elektromos jelek küldőtől a vevő felé történő továbbításának. Az elektromos jelet egy feszültség (gyakran változó feszültség) továbbítja, amely egy rögzített potenciálra vonatkozik, általában egy 0 V-os csomópontra, amelyet "földnek" neveznek.

Egy vezető viszi a jelet, egy vezető pedig a közös referenciapotenciált. A jelhez tartozó áram az adótól a vevőig terjed, és a földelésen keresztül visszatér a tápegységhez. Ha több jelet továbbítanak, az áramkörnek minden jelhez egy vezetőre lesz szüksége, plusz egy megosztott földcsatlakozásra; így például 16 jelet lehet továbbítani 17 vezeték segítségével.

 

Egyvégű topológia

Differenciál jelzés

A differenciális jelzés, amely kevésbé elterjedt, mint az egyvégű jelzés, két komplementer feszültségjelet alkalmaz egy információs jel továbbítására. Tehát egy információs jelhez egy pár vezető szükséges; az egyik a jelet, a másik pedig a fordított jelet hordozza.

 

Egyvégű vs. differenciálmű: Általános időzítési diagram

 

A vevő az invertált és a nem invertált jelek közötti potenciálkülönbség észlelésével nyeri ki az információkat. A két feszültségjel „kiegyensúlyozott”, ami azt jelenti, hogy azonos amplitúdójúak és ellentétes polaritásúak a közös módú feszültséghez képest. Az ezekhez a feszültségekhez tartozó visszatérő áramok szintén kiegyenlítettek, és így kioltják egymást; Emiatt azt mondhatjuk, hogy a differenciáljeleknél (ideális esetben) nulla áram folyik át a földelésen.

A differenciális jelzéseknél a küldő és a vevő nem feltétlenül osztozik egy közös alapreferencián. A differenciális jelzés alkalmazása azonban nem jelenti azt, hogy a földpotenciál különbsége az adó és a vevő között ne lenne hatással az áramkör működésére.

Ha több jelet továbbítunk, akkor minden jelhez két vezetőre van szükség, és gyakran szükséges vagy legalábbis előnyös a földelés, még akkor is, ha az összes jel differenciált. Így például 16 jel továbbításához 33 vezetékre lenne szükség (az egyvégű átvitelhez képest 17). Ez a differenciális jelzés nyilvánvaló hátrányát mutatja.

 

Differenciális jelzési topológia

A differenciáljelzés előnyei

A differenciáljelzésnek azonban vannak fontos előnyei, amelyek több mint kompenzálhatják a megnövekedett vezetőszámot.

Nincs visszatérő áram

Mivel (ideális esetben) nincs visszatérő áramunk, a földelési referencia kevésbé fontos. A földpotenciál akár eltérő is lehet az adónál és a vevőnél, vagy egy bizonyos elfogadható tartományon belül mozog. Azonban óvatosnak kell lennie, mert a DC-csatolt differenciáljelzés (például USB, RS-485, CAN) általában megosztott földpotenciálra van szükség annak biztosítására, hogy a jelek az interfész maximális és legkisebb megengedett közös módú feszültségén belül maradjanak.

Ellenállás a bejövő EMI-vel és az áthallással szemben

Ha az EMI-t (elektromágneses interferencia) vagy az áthallást (azaz a közeli jelek által generált EMI-t) a differenciálvezetőkön kívülről vezetik be, akkor az egyenlő arányban hozzáadódik az invertált és a nem invertált jelhez. A vevő a két jel közötti feszültségkülönbségre reagál, és nem az egyvégű (azaz földreferencia) feszültségre, így a vevő áramköre jelentősen csökkenti az interferencia vagy az áthallás amplitúdóját.

Ez az oka annak, hogy a differenciáljelek kevésbé érzékenyek az EMI-re, az áthallásra vagy bármilyen más zajra, amely a differenciálpár mindkét jeléhez kapcsolódik.

A kimenő EMI és az áthallás csökkentése

A gyors átmenetek, például a digitális jelek felfutó és lefutó élei jelentős mennyiségű EMI-t generálhatnak. Mind az egyvégű, mind a differenciális jelek EMI-t generálnak, de a két jel egy differenciálpárban olyan elektromágneses mezőket hoz létre, amelyek (ideális esetben) egyenlő nagyságúak, de ellentétes polaritásúak. Ez a két vezető közötti közelséget fenntartó technikákkal együtt (például csavart érpárú kábel használata) biztosítja, hogy a két vezető sugárzása nagymértékben kioltja egymást.

Alacsony feszültségű működés

Az egyvégű jeleknek viszonylag magas feszültséget kell fenntartaniuk a megfelelő jel-zaj viszony (SNR) biztosításához. A gyakori egyvégű interfész feszültségek 3.3 V és 5 V. A jobb zajállóságuk miatt a differenciáljelek alacsonyabb feszültséget használhatnak, és továbbra is megfelelő SNR-t tudnak fenntartani. Ezenkívül a differenciális jelzés SNR-je automatikusan kétszeresére nő egy egyenértékű egyvégű megvalósításhoz képest, mivel a differenciális vevő dinamikus tartománya kétszerese a differenciálpáron belüli egyes jelek dinamikus tartományának.

Az alacsonyabb jelfeszültségű adatok sikeres átvitelének lehetősége néhány fontos előnnyel jár:

• Alacsonyabb tápfeszültség is használható.
• Kisebb feszültségátmenetek
  • csökkenti a sugárzott EMI-t,
  • csökkenti az energiafogyasztást, és
  • magasabb működési frekvenciákat tesz lehetővé.

Magas vagy alacsony állapot és pontos időzítés

Gondolkozott már azon, hogyan határozzuk meg pontosan, hogy egy jel logikailag magas vagy alacsony szintű? Egyvégű rendszerekben figyelembe kell venni a tápfeszültséget, a vevőáramkör küszöbjellemzőit, esetleg egy referenciafeszültség értékét. És természetesen vannak eltérések és tűréshatárok, amelyek további bizonytalanságot hoznak a logikailag magas vagy alacsony logikai kérdésbe.

A differenciáljeleknél a logikai állapot meghatározása egyszerűbb. Ha a nem invertált jel feszültsége nagyobb, mint az invertált jel feszültsége, akkor logikailag magas. Ha a nem invertált feszültség alacsonyabb, mint az invertált feszültség, akkor a logika alacsony. A két állapot közötti átmenet pedig az a pont, ahol a nem invertált és az invertált jelek metszik egymást, azaz a keresztezési pont.

Ez az egyik oka annak, hogy fontos a differenciáljeleket hordozó vezetékek vagy nyomvonalak hosszának egyeztetése: A maximális időzítési pontosság érdekében azt szeretné, hogy a keresztezési pont pontosan megfeleljen a logikai átmenetnek, de ha a párban lévő két vezető nem egyenlő. hossza, a terjedési késleltetés különbsége a keresztezési pont eltolódását okozza.

Alkalmazási területek

Jelenleg számos interfészszabvány létezik, amely differenciáljeleket alkalmaz. Ezek a következők:

• LVDS (alacsony feszültségű differenciáljelzés)
• CML (jelenlegi módú logika)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• TUD
• USB
• Kiváló minőségű kiegyensúlyozott hang

Nyilvánvaló, hogy a differenciáljelzés elméleti előnyeit számtalan valós alkalmazás gyakorlati alkalmazása is megerősítette.

Alapvető NYÁK-technikák a differenciálnyomok irányításához

Végül tanuljuk meg a differenciálnyomok NYÁK-okon történő továbbításának alapjait. A differenciális jelek továbbítása kissé bonyolult lehet, de van néhány alapvető szabály, amelyek egyszerűbbé teszik a folyamatot.

Hossz és hossz egyezése – maradjon egyenlő!

A differenciáljelek (ideális esetben) egyenlő nagyságúak és ellentétes polaritásúak. Így ideális esetben a nettó visszatérő áram nem folyik át a földön. Ez a visszatérő áram hiánya jó dolog, ezért szeretnénk mindent a lehető legideálisabban tartani, ami azt jelenti, hogy egy differenciálpárban egyenlő hosszúságra van szükség a két nyomvonalhoz.

Minél nagyobb a jel emelkedési/esési ideje (nem tévesztendő össze a jel frekvenciájával), annál inkább gondoskodnia kell arról, hogy a nyomvonalak azonos hosszúságúak legyenek. Az elrendezési program tartalmazhat egy olyan funkciót, amely segít a differenciálpárok nyomvonalak hosszának finomhangolásában. Ha nehézségei vannak az egyenlő hosszúság elérésével, használhatja a „meander” technikát.

 

Példa kanyargós nyomra

Szélesség és térköz – maradjon állandó!

Minél közelebb vannak a differenciálvezetők, annál jobb lesz a jelek csatolása. A generált EMI hatékonyabban szűnik meg, a fogadott EMI pedig egyenlőbben kapcsolódik mindkét jelhez. Tehát próbálja meg igazán közel hozni őket egymáshoz.

Az interferencia elkerülése érdekében a differenciálpár vezetőket a lehető legtávolabb kell elhelyezni a szomszédos jelektől. A nyomvonalak szélességét és közötti távolságot a célimpedancia szerint kell kiválasztani, és állandónak kell maradnia a nyomvonalak teljes hosszában. Tehát ha lehetséges, a nyomoknak párhuzamosnak kell maradniuk, miközben körbejárják a PCB-t.

Impedancia – Minimalizálja az eltéréseket!

A differenciáljelekkel rendelkező NYÁK tervezésénél az egyik legfontosabb tennivaló, hogy megtudja az alkalmazás célimpedanciáját, majd ennek megfelelően rakja ki a differenciálpárokat. Ezenkívül az impedancia-ingadozásokat tartsa a lehető legkisebbre.

A differenciálvonal impedanciája olyan tényezőktől függ, mint a nyomvonal szélessége, a nyomvonalak csatolása, a réz vastagsága, valamint a PCB anyaga és rétege. Ezeket vegye figyelembe, amikor megpróbálja elkerülni mindazt, ami megváltoztatja a differenciálpár impedanciáját.

Ne irányítsa a nagy sebességű jeleket egy síkréteg rézfelületei közötti résre, mert ez befolyásolja az impedanciát is. Próbálja meg elkerülni a folytonossági zavarokat az alapsíkban.

Elrendezési javaslatok – Olvassa el, elemezze és gondolja át őket!

És végül, de nem utolsósorban, van egy nagyon fontos dolog, amit meg kell tennie a differenciálnyomok irányítása során: Szerezze meg az adatlapot és/vagy az alkalmazási megjegyzéseket a differenciáljelet küldő vagy fogadó chiphez, olvassa el az elrendezési javaslatokat, és elemezze. őket szorosan. Így a lehető legjobb elrendezést valósíthatja meg egy adott terv korlátai között.

Következtetés

A differenciális jelzés lehetővé teszi, hogy információkat továbbítsunk alacsonyabb feszültséggel, jó SNR-rel, jobb zajtűréssel és nagyobb adatsebességgel. Másrészt nő a vezetők száma, és a rendszernek speciális adókra és vevőkre lesz szüksége a szabványos digitális IC-k helyett.

Manapság a differenciáljelek számos szabvány részét képezik, ideértve az LVDS-t, az USB-t, a CAN-t, az RS-485-öt és az Ethernetet, ezért (legalább) mindannyiunknak ismernünk kell ezt a technológiát. Ha valójában differenciáljelekkel rendelkező PCB-t tervez, ne felejtse el tanulmányozni a vonatkozó adatlapokat és az alkalmazás megjegyzéseit, és ha szükséges, olvassa el újra ezt a cikket!

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista