Асновы: аднаканцовая і дыферэнцыяльная сігналізацыя

Па-першае, мы павінны вывучыць некаторыя асновы аб тым, што такое аднаканцовая сігналізацыя, перш чым мы зможам азнаёміцца ​​з дыферэнцыяльнай сігналізацыяй і яе характарыстыкамі.

Аднаканцовая сігналізацыя

Аднаканцовая сігналізацыя - гэта просты і распаўсюджаны спосаб перадачы электрычнага сігналу ад адпраўніка да прымача. Электрычны сігнал перадаецца напружаннем (часта розным напружаннем), якое спасылаецца на фіксаваны патэнцыял, звычайна вузел 0 У, які называюць «зямлёй».

Адзін праваднік нясе сігнал, а адзін правадыр нясе агульны апорны патэнцыял. Ток, звязаны з сігналам, праходзіць ад адпраўніка да прымача і вяртаецца ў крыніцу харчавання праз зазямленне. Калі перадаюцца некалькі сігналаў, ланцугу спатрэбіцца адзін правадыр для кожнага сігналу плюс адно агульнае зазямленне; такім чынам, напрыклад, з дапамогай 16 праваднікоў можна перадаць 17 сігналаў.

 

Аднабаковая тапалогія

Дыферэнцыяльная сігналізацыя

Дыферэнцыяльная сігналізацыя, якая сустракаецца радзей, чым аднаканцовая сігналізацыя, выкарыстоўвае два дадатковых сігналу напружання для перадачы аднаго інфармацыйнага сігналу. Такім чынам, адзін інфармацыйны сігнал патрабуе пары праваднікоў; адзін нясе сігнал, а другі нясе перавернуты сігнал.

 

Аднакантакт супраць дыферэнцыяла: агульная часовая схема

 

Прыёмнік здабывае інфармацыю шляхам выяўлення рознасці патэнцыялаў паміж інвертаваным і неінвертаваным сігналамі. Два сігналы напружання з'яўляюцца «збалансаванымі», што азначае, што яны маюць роўную амплітуду і супрацьлеглаю палярнасць адносна сінфальнага напружання. Зваротныя токі, звязаныя з гэтымі напругамі, таксама збалансаваныя і, такім чынам, нівеліруюць адзін аднаго; па гэтай прычыне можна сказаць, што дыферэнцыяльныя сігналы маюць (у ідэале) нулявы ток, які праходзіць праз зазямленне.

Пры дыферэнцыяльнай сігналізацыі адпраўнік і атрымальнік не абавязкова маюць агульную апорную зямлю. Аднак выкарыстанне дыферэнцыяльнай сігналізацыі не азначае, што розніца ў патэнцыяле зазямлення паміж адпраўшчыкам і прымальнікам не ўплывае на працу схемы.

Калі перадаюцца некалькі сігналаў, для кожнага сігналу неабходныя два правадыры, і часта неабходна або, па меншай меры, выгадна ўключыць зазямленне, нават калі ўсе сігналы дыферэнцыяльныя. Так, напрыклад, для перадачы 16 сігналаў спатрэбіцца 33 правадыра (у параўнанні з 17 для аднаканцовай перадачы). Гэта дэманструе відавочны недахоп дыферэнцыяльнай сігналізацыі.

 

Тапалогія дыферэнцыяльнай сігналізацыі

Перавагі дыферэнцыяльнай сігналізацыі

Тым не менш, ёсць важныя перавагі дыферэнцыяльнай сігналізацыі, якія могуць больш чым кампенсаваць павелічэнне колькасці правадыроў.

Няма зваротнага току

Паколькі ў нас (у ідэале) няма зваротнага току, зазямленне становіцца менш важным. Патэнцыял зямлі можа нават адрознівацца ў адпраўніка і атрымальніка або перамяшчацца ў межах пэўнага прымальнага дыяпазону. Тым не менш, вам трэба быць асцярожным, таму што дыферэнцыяльная сігналізацыя з спалучэннем пастаяннага току (напрыклад, USB, RS-485, CAN) звычайна патрабуе агульнага патэнцыялу зазямлення, каб гарантаваць, што сігналы застаюцца ў межах максімальнага і мінімальна дапушчальнага сінфальнага напружання інтэрфейсу.

Ўстойлівасць да ўваходных EMI і перакрыжаваных перашкод

Калі электромагнитные помехи (электрамагнітныя перашкоды) або перакрыжаваныя перашкоды (г.зн. электромагнитные помехи, генераваныя блізкімі сігналамі) паступаюць звонку дыферэнцыяльных праваднікоў, яны дадаюцца ў роўнай ступені да інвертаванага і неінвертаванага сігналу. Прыёмнік рэагуе на розніцу ў напружаннях паміж двума сігналамі, а не на несмаразводнае (г.зн. заземленае) напружанне, і, такім чынам, схема прымача значна паменшыць амплітуду перашкод або перакрыжаваных перашкод.

Вось чаму дыферэнцыяльныя сігналы менш адчувальныя да EMI, перакрыжаваных перашкод або любога іншага шуму, які спалучаецца з абодвума сігналамі дыферэнцыяльнай пары.

Зніжэнне выходных EMI і перакрыжаваных перашкод

Хуткія пераходы, такія як нарастаючы і нисходящий фронт лічбавых сігналаў, могуць генераваць значныя колькасці электромагнитных помех. І аднаканкавы, і дыферэнцыяльны сігналы генеруюць EMI, але два сігналы ў дыферэнцыяльнай пары будуць ствараць электрамагнітныя палі (у ідэале) роўныя па велічыні, але супрацьлеглыя па палярнасці. Гэта ў спалучэнні з метадамі, якія падтрымліваюць непасрэдную блізкасць паміж двума праваднікамі (напрыклад, выкарыстанне вітой пары), гарантуе, што выпраменьванне ад двух праваднікоў будзе ў значнай ступені нівеліраваць адзін аднаго.

Нізкавольтная аперацыя

Аднакантактныя сігналы павінны падтрымліваць адносна высокае напружанне, каб забяспечыць адэкватнае стаўленне сігнал/шум (SNR). Звычайныя напругі несмаканчатых інтэрфейсаў складаюць 3.3 У і 5 У. Дзякуючы палепшанай устойлівасці да шуму, дыферэнцыяльныя сігналы могуць выкарыстоўваць больш нізкае напружанне і пры гэтым падтрымліваць адэкватнае SNR. Акрамя таго, SNR дыферэнцыяльнай сігналізацыі аўтаматычна павялічваецца ў два разы ў параўнанні з эквівалентнай несмаканцовай рэалізацыяй, таму што дынамічны дыяпазон на дыферэнцыяльным прыёмніку ўдвая вышэй, чым дынамічны дыяпазон кожнага сігналу ў дыферэнцыяльнай пары.

Магчымасць паспяховай перадачы дадзеных з выкарыстаннем больш нізкіх напружанняў сігналу мае некалькі важных пераваг:

• Можна выкарыстоўваць больш нізкія напругі харчавання.
• Меншыя пераходы напружання
  • паменшыць выпраменьваную ЭМІ,
  • знізіць энергаспажыванне, і
  • дазваляюць атрымаць больш высокія працоўныя частоты.

Высокі або нізкі стан і дакладныя тэрміны

Вы калі-небудзь задумваліся, як менавіта мы вырашаем, ці знаходзіцца сігнал у стане лагічнага высокага або лагічнага нізкага ўзроўню? У несматарных сістэмах мы павінны ўлічваць напружанне крыніцы харчавання, парогавыя характарыстыкі схемы прымача, магчыма, значэнне апорнага напружання. І, вядома, існуюць варыяцыі і допускі, якія ўносяць дадатковую нявызначанасць у пытанне логіка-высокая ці логіка-нізкая.

У дыферэнцыяльных сігналах вызначэнне лагічнага стану больш простае. Калі напружанне неінвертаванага сігналу вышэй, чым напружанне інвертаванага сігналу, у вас лагічна высокая. Калі неінвертаванае напружанне ніжэй, чым перавернутае, у вас нізкая логіка. І пераход паміж двума станамі - гэта кропка, у якой перасякаюцца неінвертаваны і перавернуты сігналы - гэта значыць кропка перасячэння.

Гэта адна з прычын, чаму важна супастаўляць даўжыню правадоў або слядоў, якія нясуць дыферэнцыяльныя сігналы: для максімальнай дакладнасці сінхранізацыі вы хочаце, каб кропка скрыжавання дакладна адпавядала лагічнаму пераходу, але калі два правадыры ў пары не аднолькавыя даўжыні, розніца ў затрымцы распаўсюджвання прывядзе да зрушэння пункту скрыжавання.

прыкладанняў

У цяперашні час існуе мноства стандартаў інтэрфейсу, якія выкарыстоўваюць дыферэнцыяльныя сігналы. Да іх адносяцца наступнае:

• LVDS (нізкавольтная дыферэнцыяльная сігналізацыя)
• CML (логіка бягучага рэжыму)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Высокая якасць збалансаванага гуку

Відавочна, што тэарэтычныя перавагі дыферэнцыяльнай сігналізацыі былі пацверджаны практычным выкарыстаннем у незлічоных рэальных прылажэннях.

Асноўныя метады друкаванай платы для маршрутызацыі дыферэнцыяльных трас

Нарэшце, давайце даведаемся асновы таго, як маршрутызацыя дыферэнцыяльных слядоў на друкаваных платах. Маршрутызацыя дыферэнцыяльных сігналаў можа быць крыху складанай, але ёсць некаторыя асноўныя правілы, якія робяць працэс больш простым.

Супадзенне даўжыні і даўжыні - трымайцеся роўна!

Дыферэнцыяльныя сігналы (у ідэале) роўныя па велічыні і супрацьлеглыя па палярнасці. Такім чынам, у ідэальным выпадку праз зямлю не будзе працякаць чысты зваротны ток. Адсутнасць зваротнага току - добрая рэч, таму мы хочам, каб усё было максімальна ідэальным, а гэта азначае, што нам патрэбныя аднолькавыя даўжыні для двух слядоў у дыферэнцыяльнай пары.

Чым вышэй час нарастання/падзення вашага сігналу (не блытаць з частатой сігналу), тым больш вы павінны пераканацца, што сляды маюць аднолькавую даўжыню. Ваша праграма макета можа ўключаць у сябе функцыю, якая дапамагае вам дакладна наладзіць даўжыню трас для дыферэнцыяльных пар. Калі ў вас узнікаюць цяжкасці з дасягненнем роўнай даўжыні, вы можаце выкарыстоўваць тэхніку «меандр».

 

Прыклад звілістага следу

Шырыня і інтэрвал - Трымайце яе пастаяннай!

Чым бліжэй дыферэнцыяльныя правадыры, тым лепш будзе сувязь сігналаў. Сфарміраваныя электромагнитные помехи будуць больш эфектыўна адмяняцца, а атрыманыя электромагнитные помехи будуць больш аднолькава спалучацца ў абодвух сігналах. Таму паспрабуйце зблізіць іх адзін з адным.

Вы павінны накіраваць правады дыферэнцыяльнай пары як мага далей ад суседніх сігналаў, каб пазбегнуць перашкод. Шырыня і прастора паміж вашымі трасамі павінны быць выбраны ў адпаведнасці з мэтавым імпедансам і павінны заставацца нязменнымі па ўсёй даўжыні трас. Такім чынам, калі магчыма, сляды павінны заставацца паралельнымі, калі яны рухаюцца вакол друкаванай платы.

Імпеданс - звядзіце да мінімуму варыяцыі!

Адна з самых важных рэчаў, якую трэба зрабіць пры распрацоўцы друкаванай платы з дыферэнцыяльнымі сігналамі, - гэта высветліць мэтавы імпеданс для вашага прыкладання, а затым адпаведна размясціць свае дыферэнцыяльныя пары. Акрамя таго, трымайце варыяцыі імпедансу як мага меншыя.

Імпеданс вашай дыферэнцыяльнай лініі залежыць ад такіх фактараў, як шырыня трасы, спалучэнне трас, таўшчыня медзі, а таксама матэрыял і склад пластоў друкаванай платы. Разгледзьце кожны з іх, калі вы спрабуеце пазбегнуць усяго, што змяняе імпеданс вашай дыферэнцыяльнай пары.

Не накіроўвайце высакахуткасныя сігналы праз зазор паміж меднымі ўчасткамі на плоскім пласце, таму што гэта таксама ўплывае на ваш імпеданс. Старайцеся пазбягаць разрываў у плоскасцях зямлі.

Рэкамендацыі па макету - прачытайце, прааналізуйце і падумайце над імі!

І, не ў апошнюю чаргу, ёсць адна вельмі важная рэч, якую вы павінны зрабіць падчас маршрутызацыі дыферэнцыяльных трас: атрымаць табліцу даных і/або заўвагі да прыкладанняў для чыпа, які адпраўляе або прымае дыферэнцыяльны сігнал, прачытаць рэкамендацыі па кампаноўцы і прааналізаваць ім цесна. Такім чынам вы можаце рэалізаваць найлепшы макет у рамках абмежаванняў канкрэтнага дызайну.

заключэнне

Дыферэнцыяльная сігналізацыя дазваляе нам перадаваць інфармацыю з больш нізкімі напругамі, добрым SNR, палепшанай устойлівасцю да шуму і больш высокай хуткасцю перадачы дадзеных. З іншага боку, колькасць правадыроў павялічваецца, і сістэме спатрэбяцца спецыялізаваныя перадатчыкі і прымачы замест стандартных лічбавых мікрасхем.

У цяперашні час дыферэнцыяльныя сігналы з'яўляюцца часткай многіх стандартаў, уключаючы LVDS, USB, CAN, RS-485 і Ethernet, і, такім чынам, мы ўсе павінны быць (прынамсі) знаёмыя з гэтай тэхналогіяй. Калі вы сапраўды распрацоўваеце друкаваную плату з дыферэнцыяльнымі сігналамі, не забудзьцеся пракансультавацца з адпаведнымі табліцамі даных і заўвагамі да прыкладанняў, а пры неабходнасці прачытайце гэты артыкул яшчэ раз!

Пакінь паведамленне 

спіс паведамленняў