Τα βασικά: Μονοτελική και Διαφορική Σηματοδότηση

Αρχικά, πρέπει να μάθουμε μερικά βασικά για το τι είναι η σηματοδότηση μονού άκρου πριν μπορέσουμε να εξετάσουμε τη διαφορική σηματοδότηση και τα χαρακτηριστικά της.

Σηματοδότηση μονού άκρου

Η σηματοδότηση ενός άκρου είναι ένας απλός και κοινός τρόπος μετάδοσης ενός ηλεκτρικού σήματος από έναν αποστολέα σε έναν δέκτη. Το ηλεκτρικό σήμα μεταδίδεται από μια τάση (συχνά μια μεταβαλλόμενη τάση), η οποία αναφέρεται σε ένα σταθερό δυναμικό, συνήθως έναν κόμβο 0 V που αναφέρεται ως "γείωση".

Ένας αγωγός μεταφέρει το σήμα και ένας αγωγός φέρει το κοινό δυναμικό αναφοράς. Το ρεύμα που σχετίζεται με το σήμα ταξιδεύει από τον αποστολέα στον δέκτη και επιστρέφει στην παροχή ρεύματος μέσω της σύνδεσης γείωσης. Εάν μεταδίδονται πολλαπλά σήματα, το κύκλωμα θα απαιτεί έναν αγωγό για κάθε σήμα συν μία κοινή σύνδεση γείωσης. Έτσι, για παράδειγμα, μπορούν να μεταδοθούν 16 σήματα χρησιμοποιώντας 17 αγωγούς.

 

Τοπολογία ενός άκρου

Διαφορική Σηματοδότηση

Η διαφορική σηματοδότηση, η οποία είναι λιγότερο κοινή από τη σηματοδότηση μονού άκρου, χρησιμοποιεί δύο συμπληρωματικά σήματα τάσης για τη μετάδοση ενός σήματος πληροφοριών. Έτσι, ένα σήμα πληροφοριών απαιτεί ένα ζευγάρι αγωγών. το ένα μεταφέρει το σήμα και το άλλο το ανεστραμμένο σήμα.

 

Μονοάκρο έναντι διαφορικού: Γενικό διάγραμμα χρονισμού

 

Ο δέκτης εξάγει πληροφορίες ανιχνεύοντας τη διαφορά δυναμικού μεταξύ του ανεστραμμένου και του μη ανεστραμμένου σήματος. Τα δύο σήματα τάσης είναι "ισορροπημένα", που σημαίνει ότι έχουν ίσο πλάτος και αντίθετη πολικότητα σε σχέση με μια τάση κοινού τρόπου λειτουργίας. Τα ρεύματα επιστροφής που σχετίζονται με αυτές τις τάσεις είναι επίσης εξισορροπημένα και έτσι αλληλοεξουδετερώνονται. Για το λόγο αυτό, μπορούμε να πούμε ότι τα διαφορικά σήματα έχουν (ιδανικά) μηδενικό ρεύμα που διαρρέει τη σύνδεση γείωσης.

Με τη διαφορική σηματοδότηση, ο αποστολέας και ο δέκτης δεν μοιράζονται απαραίτητα μια κοινή αναφορά. Ωστόσο, η χρήση διαφορικής σηματοδότησης δεν σημαίνει ότι οι διαφορές στο δυναμικό γείωσης μεταξύ του αποστολέα και του δέκτη δεν έχουν καμία επίδραση στη λειτουργία του κυκλώματος.

Εάν μεταδίδονται πολλαπλά σήματα, χρειάζονται δύο αγωγοί για κάθε σήμα και είναι συχνά απαραίτητο ή τουλάχιστον ωφέλιμο να συμπεριληφθεί μια σύνδεση γείωσης, ακόμη και όταν όλα τα σήματα είναι διαφορικά. Έτσι, για παράδειγμα, η μετάδοση 16 σημάτων θα απαιτούσε 33 αγωγούς (σε σύγκριση με 17 για μετάδοση με ένα άκρο). Αυτό καταδεικνύει ένα προφανές μειονέκτημα της διαφορικής σηματοδότησης.

 

Τοπολογία διαφορικής σηματοδότησης

Πλεονεκτήματα της Διαφορικής Σηματοδότησης

Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικά πλεονεκτήματα της διαφορικής σηματοδότησης που μπορούν να αντισταθμίσουν περισσότερο τον αυξημένο αριθμό αγωγών.

Χωρίς ρεύμα επιστροφής

Εφόσον δεν έχουμε (ιδανικά) ρεύμα επιστροφής, η αναφορά γείωσης γίνεται λιγότερο σημαντική. Το δυναμικό γείωσης μπορεί ακόμη και να είναι διαφορετικό στον αποστολέα και στον παραλήπτη ή να κινείται μέσα σε ένα συγκεκριμένο αποδεκτό εύρος. Ωστόσο, πρέπει να είστε προσεκτικοί γιατί η διαφορική σηματοδότηση με σύζευξη DC (όπως USB, RS-485, CAN) απαιτεί γενικά κοινό δυναμικό γείωσης για να διασφαλιστεί ότι τα σήματα παραμένουν εντός της μέγιστης και ελάχιστης επιτρεπόμενης τάσης κοινής λειτουργίας της διεπαφής.

Αντίσταση σε εισερχόμενα EMI και Crosstalk

Εάν εισαχθεί EMI (ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή) ή παρεμβολή (δηλαδή EMI που δημιουργείται από κοντινά σήματα) εκτός των διαφορικών αγωγών, προστίθεται εξίσου στο ανεστραμμένο και στο μη ανεστραμμένο σήμα. Ο δέκτης ανταποκρίνεται στη διαφορά τάσης μεταξύ των δύο σημάτων και όχι στην τάση ενός άκρου (δηλαδή, με αναφορά στη γείωση), και έτσι το κύκλωμα του δέκτη θα μειώσει σημαντικά το πλάτος της παρεμβολής ή της παρεμβολής.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα διαφορικά σήματα είναι λιγότερο ευαίσθητα στο EMI, στο crosstalk ή σε οποιοδήποτε άλλο θόρυβο που συνδέεται και στα δύο σήματα του ζεύγους διαφορικών.

Μείωση εξερχόμενου EMI και Crosstalk

Οι γρήγορες μεταβάσεις, όπως οι ανερχόμενες και καθοδικές άκρες των ψηφιακών σημάτων, μπορούν να δημιουργήσουν σημαντικές ποσότητες EMI. Τόσο τα σήματα μονού άκρου όσο και τα διαφορικά σήματα δημιουργούν EMI, αλλά τα δύο σήματα σε ένα διαφορικό ζεύγος θα δημιουργήσουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία που είναι (ιδανικά) ίσα σε μέγεθος αλλά αντίθετα σε πολικότητα. Αυτό, σε συνδυασμό με τεχνικές που διατηρούν στενή εγγύτητα μεταξύ των δύο αγωγών (όπως η χρήση καλωδίου συνεστραμμένου ζεύγους), διασφαλίζει ότι οι εκπομπές από τους δύο αγωγούς θα αλληλοεξουδετερώνονται σε μεγάλο βαθμό.

Λειτουργία Χαμηλότερης Τάσης

Τα σήματα ενός άκρου πρέπει να διατηρούν μια σχετικά υψηλή τάση για να διασφαλίζεται επαρκής λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR). Οι συνήθεις τάσεις διεπαφής ενός άκρου είναι 3.3 V και 5 V. Λόγω της βελτιωμένης αντίστασής τους στο θόρυβο, τα διαφορικά σήματα μπορούν να χρησιμοποιούν χαμηλότερες τάσεις και να διατηρούν επαρκή SNR. Επίσης, το SNR της διαφορικής σηματοδότησης αυξάνεται αυτόματα κατά δύο φορές σε σχέση με μια ισοδύναμη υλοποίηση ενός άκρου, επειδή το δυναμικό εύρος στον διαφορικό δέκτη είναι διπλάσιο από το δυναμικό εύρος κάθε σήματος εντός του διαφορικού ζεύγους.

Η δυνατότητα επιτυχούς μεταφοράς δεδομένων χρησιμοποιώντας χαμηλότερες τάσεις σήματος συνοδεύεται από μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα:

• Μπορούν να χρησιμοποιηθούν χαμηλότερες τάσεις τροφοδοσίας.
• Μικρότερες μεταβάσεις τάσης
  • μείωση του ακτινοβολούμενου EMI,
  • μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και
  • επιτρέπουν υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας.

Υψηλή ή χαμηλή κατάσταση και ακριβής χρονισμός

Αναρωτηθήκατε ποτέ πώς ακριβώς αποφασίζουμε εάν ένα σήμα είναι σε κατάσταση λογικής υψηλής ή λογικής χαμηλής; Σε συστήματα μονού άκρου, πρέπει να λάβουμε υπόψη την τάση τροφοδοσίας, τα χαρακτηριστικά κατωφλίου του κυκλώματος του δέκτη, ίσως την τιμή μιας τάσης αναφοράς. Και φυσικά υπάρχουν παραλλαγές και ανοχές, που φέρνουν πρόσθετη αβεβαιότητα στο ζήτημα της λογικής-υψηλού-ή-λογικού-χαμηλού.

Στα διαφορικά σήματα, ο προσδιορισμός της λογικής κατάστασης είναι πιο απλός. Εάν η τάση του μη ανεστραμμένου σήματος είναι υψηλότερη από την τάση του ανεστραμμένου σήματος, έχετε λογική υψηλή. Εάν η μη ανεστραμμένη τάση είναι χαμηλότερη από την ανεστραμμένη τάση, έχετε λογικό χαμηλό. Και η μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι το σημείο στο οποίο τέμνονται τα μη ανεστραμμένα και ανεστραμμένα σήματα - δηλαδή το σημείο διασταύρωσης.

Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο είναι σημαντικό να ταιριάζουν τα μήκη των καλωδίων ή των ιχνών που μεταφέρουν διαφορικά σήματα: Για μέγιστη ακρίβεια χρονισμού, θέλετε το σημείο διασταύρωσης να αντιστοιχεί ακριβώς στη λογική μετάβαση, αλλά όταν οι δύο αγωγοί στο ζεύγος δεν είναι ίσοι μήκος, η διαφορά στην καθυστέρηση διάδοσης θα προκαλέσει μετατόπιση του σημείου διέλευσης.

Εφαρμογές

Υπάρχουν επί του παρόντος πολλά πρότυπα διεπαφής που χρησιμοποιούν διαφορικά σήματα. Αυτά περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

• LVDS (διαφορική σηματοδότηση χαμηλής τάσης)
• CML (Λογική τρέχουσας λειτουργίας)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Υψηλής ποιότητας ισορροπημένος ήχος

Σαφώς, τα θεωρητικά πλεονεκτήματα της διαφορικής σηματοδότησης έχουν επιβεβαιωθεί από την πρακτική χρήση σε αμέτρητες εφαρμογές του πραγματικού κόσμου.

Βασικές τεχνικές PCB για δρομολόγηση διαφορικών ιχνών

Τέλος, ας μάθουμε τα βασικά για το πώς δρομολογούνται τα διαφορικά ίχνη στα PCB. Η δρομολόγηση των διαφορικών σημάτων μπορεί να είναι λίγο περίπλοκη, αλλά υπάρχουν ορισμένοι βασικοί κανόνες που κάνουν τη διαδικασία πιο απλή.

Αντιστοίχιση μήκους και μήκους – Διατηρήστε το ίδιο!

Τα διαφορικά σήματα είναι (ιδανικά) ίσα σε μέγεθος και αντίθετα σε πολικότητα. Έτσι, στην ιδανική περίπτωση, κανένα καθαρό ρεύμα επιστροφής δεν θα διαρρέει τη γείωση. Αυτή η απουσία ρεύματος επιστροφής είναι καλή, επομένως θέλουμε να διατηρήσουμε τα πάντα όσο το δυνατόν ιδανικά και αυτό σημαίνει ότι χρειαζόμαστε ίσα μήκη για τα δύο ίχνη σε ένα διαφορικό ζεύγος.

Όσο υψηλότερος είναι ο χρόνος ανόδου/πτώσης του σήματος σας (δεν πρέπει να συγχέεται με τη συχνότητα του σήματος), τόσο περισσότερο πρέπει να διασφαλίσετε ότι τα ίχνη έχουν το ίδιο μήκος. Το πρόγραμμα διάταξης μπορεί να περιλαμβάνει μια δυνατότητα που σας βοηθά να ρυθμίσετε με ακρίβεια το μήκος των ιχνών για διαφορικά ζεύγη. Εάν δυσκολεύεστε να πετύχετε ίσο μήκος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την τεχνική "μαίανδρος".

 

Ένα παράδειγμα ενός ελικοειδή ίχνους

Πλάτος και απόσταση – Διατηρήστε το σταθερό!

Όσο πιο κοντά είναι οι διαφορικοί αγωγοί, τόσο καλύτερη θα είναι η σύζευξη των σημάτων. Το EMI που δημιουργείται θα ακυρωθεί πιο αποτελεσματικά και το ληφθέν EMI θα συζευχθεί εξίσου και στα δύο σήματα. Προσπαθήστε λοιπόν να τα φέρετε πολύ κοντά.

Θα πρέπει να δρομολογήσετε τους αγωγούς διαφορικού ζεύγους όσο το δυνατόν πιο μακριά από τα γειτονικά σήματα, για να αποφύγετε παρεμβολές. Το πλάτος και το διάστημα μεταξύ των ιχνών σας θα πρέπει να επιλέγονται σύμφωνα με την αντίσταση στόχου και θα πρέπει να παραμένουν σταθερά σε όλο το μήκος των ιχνών. Επομένως, εάν είναι δυνατόν, τα ίχνη θα πρέπει να παραμένουν παράλληλα καθώς ταξιδεύουν γύρω από το PCB.

Αντίσταση – Ελαχιστοποίηση παραλλαγών!

Ένα από τα πιο σημαντικά πράγματα που πρέπει να κάνετε όταν σχεδιάζετε ένα PCB με διαφορικά σήματα είναι να μάθετε την αντίσταση στόχου για την εφαρμογή σας και στη συνέχεια να τοποθετήσετε τα διαφορικά σας ζεύγη ανάλογα. Επίσης, διατηρήστε τις παραλλαγές της σύνθετης αντίστασης όσο το δυνατόν μικρότερες.

Η σύνθετη αντίσταση της γραμμής διαφορικού σας εξαρτάται από παράγοντες όπως το πλάτος του ίχνους, η σύζευξη των ιχνών, το πάχος του χαλκού και η συσσώρευση υλικού και στρώσης του PCB. Σκεφτείτε καθένα από αυτά καθώς προσπαθείτε να αποφύγετε οτιδήποτε αλλάζει την αντίσταση του διαφορικού σας ζεύγους.

Μην δρομολογείτε σήματα υψηλής ταχύτητας πάνω από ένα κενό μεταξύ χάλκινων περιοχών σε επίπεδο στρώμα, γιατί αυτό επηρεάζει επίσης την αντίστασή σας. Προσπαθήστε να αποφύγετε τις ασυνέχειες σε επίπεδα εδάφους.

Προτάσεις διάταξης – Διαβάστε, αναλύστε και σκεφτείτε τες!

Και, τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, υπάρχει ένα πολύ σημαντικό πράγμα που πρέπει να κάνετε κατά τη δρομολόγηση διαφορικών ιχνών: Λάβετε το φύλλο δεδομένων και/ή τις σημειώσεις εφαρμογής για το τσιπ που στέλνει ή λαμβάνει το διαφορικό σήμα, διαβάστε τις προτάσεις διάταξης και αναλύστε τους στενά. Με αυτόν τον τρόπο μπορείτε να εφαρμόσετε την καλύτερη δυνατή διάταξη εντός των περιορισμών ενός συγκεκριμένου σχεδίου.

Συμπέρασμα

Η διαφορική σηματοδότηση μας επιτρέπει να μεταδίδουμε πληροφορίες με χαμηλότερες τάσεις, καλό SNR, βελτιωμένη ατρωσία στο θόρυβο και υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων. Από την άλλη πλευρά, ο αριθμός αγωγών αυξάνεται και το σύστημα θα χρειαστεί εξειδικευμένους πομπούς και δέκτες αντί για τυπικά ψηφιακά IC.

Σήμερα, τα διαφορικά σήματα αποτελούν μέρος πολλών προτύπων, συμπεριλαμβανομένων των LVDS, USB, CAN, RS-485 και Ethernet, και έτσι όλοι θα πρέπει να είμαστε (τουλάχιστον) εξοικειωμένοι με αυτήν την τεχνολογία. Εάν στην πραγματικότητα σχεδιάζετε ένα PCB με διαφορικά σήματα, θυμηθείτε να συμβουλευτείτε τα σχετικά φύλλα δεδομένων και σημειώσεις εφαρμογών και, εάν χρειάζεται, διαβάστε ξανά αυτό το άρθρο!

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων