Зачем и как использовать дифференциальную передачу сигналов

Рассмотрим важные характеристики, преимущества и применения дифференциальной передачи сигналов, а также правильные методы разводки дифференциальных сигналов.

Основы: несимметричная и дифференциальная передачи сигналов

Во-первых, нам нужно изучить некоторые основы того, что означает несимметричная передача сигналов, прежде чем мы сможем перейти к дифференциальной передаче сигналов и ее характеристикам.

Несимметричная передача сигналов

Несимметричная передача сигналов – это простой и распространенный способ передачи электрического сигнала от отправителя к приемнику. Электрический сигнал передается с помощью напряжения (часто с помощью изменяющегося напряжения), которое измеряется относительно фиксированного потенциала, обычно узел 0 В, называемый «землей».

Один проводник переносит сигнал, и один проводник переносит общий опорный потенциал. Ток, связанный с сигналом, поступает от отправителя к приемнику и возвращается к источнику питания через соединение земли. Если передается несколько сигналов, схема потребует по одному проводнику для каждого сигнала плюс одно общее соединение земли; таким образом, например, 16 сигналов могут быть переданы с помощью 17 проводников.

Дифференциальная передача сигналов

Дифференциальная передача сигналов, являющаяся менее распространенной по сравнению с несимметричной передачей, использует два двухтактных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Таким образом, один информационный сигнал требует пары проводников; первый переносит сигнал, а второй переносит инвертированный сигнал.

Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированным и неинвертированным сигналами. Два сигнала напряжения «симметричны», что означает, что они имеют равную амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине можно сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток через соединение земли.

При дифференциальной передаче сигналов отправитель и получатель необязательно должны иметь общую опорную точку земли. Однако использование дифференциальной передачи не означает, что различия потенциалов земли у отправителя и получателя не влияют на работу схемы.

Если передается несколько сигналов, то для каждого сигнала требуется два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить соединение земли, даже если все сигналы являются дифференциальными. Так, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (для несимметричной передачи было необходимо 17). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной передачи сигналов.

Преимущества дифференциальной передачи сигналов

Однако существуют важные преимущества дифференциальной передачи сигналов, которые могут более чем компенсировать увеличение количества проводников.

Нет обратного тока

Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, опорная земля становится менее важной. Потенциалы земли у отправителя и получателя могут даже различаться или изменяться в пределах допустимого диапазона. Тем не менее, вы должны быть осторожны, потому что дифференциальная передача сигналов со связью по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требует общего потенциала земли, чтобы сигналы оставались в пределах максимально и минимально допустимого синфазного напряжения.

Устойчивость к внешним электромагнитным помехам и перекрестным помехам

Если электромагнитные помехи (ЭМП) или перекрестные помехи (т.е. электромагнитные помехи, создаваемые соседними сигналами) вводятся извне относительно дифференциальных проводников, то они равномерно добавляются к инвертированному и неинвертированному сигналам. Приемник реагирует на разность напряжений между двумя сигналами, а не на несимметричное (т.е. относительно земли) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно уменьшит амплитуду внешних и перекрестных помех.

Вот почему дифференциальная передача сигналов менее чувствительна к внешним электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любым другим шумам, которые добавляются к обоим сигналам дифференциальной пары.

Уменьшение исходящих электромагнитных помех и перекрестных помех

Быстрые переходы, такие как нарастающий и спадающий фронты цифровых сигналов, могут генерировать значительные количества электромагнитных помех. И несимметричная передача сигналов, и дифференциальная передача сигналов генерируют электромагнитные помехи, но два сигнала в дифференциальной паре будут создавать электромагнитные поля, которые (в идеале) равны по амплитуде, но противоположны по полярности. Это в сочетании с технологиями, которые сохраняют маленькое расстояние между этими двумя проводниками (например, использование кабеля с витой парой), гарантирует, что излучения от этих двух проводников будут в значительной степени компенсировать друг друга.

Работа с низким напряжением

Несимметричные сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение для обеспечения достаточного отношения сигнал/шум (С/Ш, SNR). Наиболее распространенными напряжениями несимметричных интерфейсов являются 3,3 В и 5 В. Благодаря своей повышенной устойчивости к шуму дифференциальные сигналы могут использовать более низкие напряжения, поддерживая соответствующее отношение сигнал/шум. Кроме того, отношение сигнал/шум автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной несимметричной реализацией, поскольку динамический диапазон в дифференциальном приемнике в два раза выше динамического диапазона каждого сигнала в дифференциальной паре.

Возможность успешно передавать данные с использованием более низких напряжений сигналов имеет несколько важных преимуществ:

• могут использоваться более низковольтные источники питания;
• меньшие изменения напряжения во время переходов:
  • уменьшаются излучаемые электромагнитные помехи;
  • снижается потребление электроэнергии;
  • допускается работа на более высоких частотах.

Высокое или низкое логическое состояние и точная синхронизация

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как именно мы решаем, находится ли сигнал в состоянии высокого или низкого логического уровня? В несимметричных системах мы должны учитывать напряжение питания, пороговые характеристики схемы приемника и, возможно, значение опорного напряжения. И, конечно же, существуют вариации и допуски, которые вызывают дополнительную неопределенность в вопросе о высоком или низком логическом уровне.

В дифференциальных сигналах определение логического состояния является более простым. Если напряжение неинвертированного сигнала выше напряжения инвертированного сигнала, то у вас высокий логический уровень. Если неинвертированное напряжение ниже инвертированного напряжения, то у вас низкий логический уровень. Переход между этими двумя состояниями – это точка, в которой пересекаются неинвертированный и инвертированный сигналы, т.е. точка пересечения.

Это одна из причин, из-за которой важно согласовывать длины проводов или трасс, передающих дифференциальные сигналы. Для максимальной точности синхронизации необходимо, чтобы точка пересечения точно соответствовала логическому переходу; но когда два проводника в паре не равны по длине, разница в задержке распространения приведет к смещению точки пересечения.

Применения

В настоящее время существует множество стандартов интерфейсов, в которых используются дифференциальные сигналы. К ним относятся следующие:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling, Низковольтная дифференциальная передача сигналов);
• CML (Current Mode Logic, логика с токовыми переключателями);
• RS485;
• RS422;
• Ethernet;
• CAN;
• USB;
• высококачественный симметричный звук.

Основные технологии разводки дифференциальных проводников на печатных платах

Наконец, давайте рассмотрим основы того, как дифференциальные проводники разводятся на печатных платах. Разводка дифференциальных сигналов может быть немного сложной, но есть некоторые основные правила, которые делают процесс более простым.

Длина и согласование длин – сохраняйте их равными!

Дифференциальные сигналы (в идеале) равны по амплитуде и противоположны по полярности. Таким образом, в идеальном случае через землю не будет протекать никакой обратный ток. Это отсутствие обратного тока – хорошо, поэтому мы хотим сохранить всё как можно более идеальным, и это означает, что нам нужны одинаковые длины двух проводников в дифференциальной паре.

Чем выше время нарастания/спада вашего сигнала (не путать с частотой сигнала), тем больше вы должны следить за тем, чтобы проводники имели одинаковую длину. Ваша программа разводки печатных плат может включать в себя функцию, которая поможет вам точно отрегулировать длину проводников для дифференциальных пар. Если вам трудно достичь равной длины, то можете использовать технику «серпантина».

Ширина и интервал между проводниками – сохраняйте их постоянными!

Чем ближе дифференциальные проводники друг к другу, тем лучше будет связность сигналов. Сгенерированные электромагнитные помехи будут более эффективно компенсироваться, а принимаемые электромагнитные помехи будут более равномерно накладываться на оба сигнала. Поэтому старайтесь разводить проводники ближе друг к другу.

Вы должны разводить проводники дифференциальной пары как можно дальше от соседних сигналов, чтобы избежать помех. Ширина и расстояние между вашими проводниками должны выбираться в соответствии с целевым импедансом и должны оставаться постоянными по всей длине проводников. Поэтому, если это возможно, эти проводники должны оставаться параллельными, пока они проходят по печатной плате.

Импеданс – сведите изменения к минимуму!

Одной из наиболее важных вещей, которые необходимо сделать при проектировании печатной платы с дифференциальными сигналами, является выяснение целевого импеданса для вашего приложения, а затем разводка в соответствии с ним ваших дифференциальных пар. Кроме того, сохраняйте изменения импеданса минимальными, насколько возможно.

Импеданс вашей дифференциальной линии зависит от таких факторов, как ширина проводника, связь между проводниками, толщина меди, материал и слои печатной платы. Рассмотрите каждый из них, чтобы избежать чего-либо, что изменит импеданс вашей дифференциальной пары.

Не разводите высокоскоростные сигналы через разрывы между медными областями на слое металлизации, так как это также влияет на импеданс. Старайтесь избегать разрывов на слоях земли.

Рекомендации к компоновке – прочитайте, проанализируйте и обдумайте их!

И последнее, но не менее важное: есть одна очень важная вещь, которую вы должны выполнить при разводке дифференциальных проводников: найдите техническое описание и/или примечания к применению микросхемы, которая отправляет или принимает дифференциальный сигнал, прочитайте рекомендации по компоновке и проанализируйте их. Таким образом, вы сможете реализовать наилучшую возможную компоновку платы в рамках ограничений конкретного проекта.

Заключение

Дифференциальная передача сигналов позволяет передавать информацию с более низкими напряжениями, хорошим отношением сигнал/шум, улучшенной помехоустойчивостью к шуму и с более высокими скоростями передачи данных. С другой стороны, увеличивается количество проводников, и система будет нуждаться в специализированных передатчиках и приемниках вместо стандартных цифровых микросхем.

В настоящее время дифференциальные сигналы являются частью многих стандартов, в том числе LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и поэтому мы должны быть знакомы с этой технологией. Если вы разрабатываете печатную плату с дифференциальными сигналами, не забудьте ознакомиться с соответствующими техническими описаниями и примечаниями к применению и, если необходимо, снова прочитать эту статью!

Теги