Grunnleggende: Single-Ended og differensiell signalering

Først må vi lære litt grunnleggende om hva single-ended signaling er før vi kan gå gjennom differensial signalering og dens egenskaper.

Single-ended signalering

Single-ended signalering er en enkel og vanlig måte å overføre et elektrisk signal fra en sender til en mottaker. Det elektriske signalet overføres av en spenning (ofte en varierende spenning), som er referert til et fast potensial, vanligvis en 0 V node referert til som "jord".

En leder bærer signalet og en leder bærer det felles referansepotensialet. Strømmen knyttet til signalet går fra sender til mottaker og går tilbake til strømforsyningen gjennom jordforbindelsen. Hvis flere signaler sendes, vil kretsen kreve én leder for hvert signal pluss én delt jordforbindelse; dermed kan for eksempel 16 signaler overføres ved bruk av 17 ledere.

 

Enkeltende topologi

Differensiell signalering

Differensiell signalering, som er mindre vanlig enn single-ended signalering, bruker to komplementære spenningssignaler for å overføre ett informasjonssignal. Så ett informasjonssignal krever et par ledere; den ene bærer signalet og den andre bærer det inverterte signalet.

 

Single-ended vs. differensial: Generisk timing diagram

 

Mottakeren trekker ut informasjon ved å oppdage potensialforskjellen mellom de inverterte og ikke-inverterte signalene. De to spenningssignalene er "balansert", noe som betyr at de har lik amplitude og motsatt polaritet i forhold til en vanlig modusspenning. Returstrømmene knyttet til disse spenningene er også balansert og kansellerer dermed hverandre ut; av denne grunn kan vi si at differensialsignaler har (ideelt sett) null strøm som flyter gjennom jordforbindelsen.

Med differensialsignalering deler ikke sender og mottaker nødvendigvis en felles jordreferanse. Bruk av differensiell signalering betyr imidlertid ikke at forskjeller i jordpotensial mellom sender og mottaker ikke har noen effekt på kretsens drift.

Hvis flere signaler sendes, trengs to ledere for hvert signal, og det er ofte nødvendig eller i det minste fordelaktig å inkludere en jordforbindelse, selv når alle signalene er differensielle. Således vil for eksempel overføring av 16 signaler kreve 33 ledere (sammenlignet med 17 for ensidig overføring). Dette demonstrerer en åpenbar ulempe med differensialsignalering.

 

Differensiell signaleringstopologi

Fordeler med differensiell signalering

Det er imidlertid viktige fordeler med differensiell signalering som mer enn kan kompensere for det økte ledertallet.

Ingen returstrøm

Siden vi (ideelt sett) ikke har noen returstrøm, blir jordreferansen mindre viktig. Jordpotensialet kan til og med være forskjellig hos sender og mottaker eller beveger seg innenfor et visst akseptabelt område. Du må imidlertid være forsiktig fordi DC-koblet differensialsignalering (som USB, RS-485, CAN) generelt krever et delt jordpotensial for å sikre at signalene holder seg innenfor grensesnittets maksimale og minste tillatte common-mode spenning.

Motstand mot innkommende EMI og Crosstalk

Hvis EMI (elektromagnetisk interferens) eller krysstale (dvs. EMI generert av nærliggende signaler) introduseres fra utsiden av differensiallederne, legges det likt til det inverterte og ikke-inverterte signalet. Mottakeren reagerer på forskjellen i spenning mellom de to signalene og ikke på den ensidige (dvs. jordrefererte) spenningen, og dermed vil mottakerkretsen i stor grad redusere amplituden til interferensen eller krysstalen.

Dette er grunnen til at differensialsignaler er mindre følsomme for EMI, krysstale eller annen støy som kobles inn i begge signalene til differensialparet.

Reduksjon av utgående EMI og Crosstalk

Raske overganger, slik som stigende og fallende kanter av digitale signaler, kan generere betydelige mengder EMI. Både single-ended og differensialsignaler genererer EMI, men de to signalene i et differensialpar vil skape elektromagnetiske felt som (ideelt sett) er like store, men motsatte i polaritet. Dette, sammen med teknikker som opprettholder nærhet mellom de to lederne (som bruk av tvunnet-par-kabel), sikrer at utslippene fra de to lederne i stor grad vil oppheve hverandre.

Drift med lavere spenning

Single-ended signaler må opprettholde en relativt høy spenning for å sikre tilstrekkelig signal-til-støy-forhold (SNR). Vanlige enkelt-ende grensesnittspenninger er 3.3 V og 5 V. På grunn av deres forbedrede motstand mot støy kan differensialsignaler bruke lavere spenninger og fortsatt opprettholde tilstrekkelig SNR. Dessuten økes SNR for differensialsignalering automatisk med en faktor på to i forhold til en ekvivalent ensidig implementering, fordi det dynamiske området ved differensialmottakeren er dobbelt så høyt som det dynamiske området til hvert signal innenfor differensialparet.

Evnen til å overføre data ved hjelp av lavere signalspenninger har noen viktige fordeler:

• Lavere forsyningsspenninger kan brukes.
• Mindre spenningsoverganger
  • redusere utstrålt EMI,
  • redusere strømforbruket, og
  • tillate høyere driftsfrekvenser.

Høy eller lav tilstand og presis timing

Har du noen gang lurt på hvordan vi avgjør om et signal er i en logisk høy eller logisk lav tilstand? I single-ended systemer må vi vurdere strømforsyningsspenningen, terskelkarakteristikkene til mottakerkretsen, kanskje verdien av en referansespenning. Og selvfølgelig er det variasjoner og toleranser, som bringer ytterligere usikkerhet inn i logikk-høy-eller-logisk-lav-spørsmålet.

I differensialsignaler er det enklere å bestemme den logiske tilstanden. Hvis det ikke-inverterte signalets spenning er høyere enn det inverterte signalets spenning, har du logikk høy. Hvis den ikke-inverterte spenningen er lavere enn den inverterte spenningen, har du logisk lav. Og overgangen mellom de to tilstandene er punktet der de ikke-inverterte og inverterte signalene skjærer hverandre – dvs. krysspunktet.

Dette er en grunn til at det er viktig å matche lengdene på ledninger eller spor som bærer differensialsignaler: For maksimal timingpresisjon vil du at krysspunktet skal samsvare nøyaktig med den logiske overgangen, men når de to lederne i paret ikke er like lengde, vil forskjellen i forplantningsforsinkelse føre til at overgangspunktet forskyves.

applikasjoner

Det er for tiden mange grensesnittstandarder som bruker differensielle signaler. Disse inkluderer følgende:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)
• CML (Current Mode Logic)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Høykvalitets balansert lyd

Det er klart at de teoretiske fordelene med differensiell signalering har blitt bekreftet av praktisk bruk i utallige virkelige applikasjoner.

Grunnleggende PCB-teknikker for ruting av differensielle spor

Til slutt, la oss lære det grunnleggende om hvordan differensielle spor rutes på PCB. Ruting av differensialsignaler kan være litt komplisert, men det er noen grunnleggende regler som gjør prosessen mer enkel.

Lengde- og lengdetilpasning – Hold det likt!

Differensialsignaler er (ideelt sett) like i størrelse og motsatte i polaritet. I det ideelle tilfellet vil således ingen netto returstrøm flyte gjennom bakken. Dette fraværet av returstrøm er en god ting, så vi ønsker å holde alt så ideelt som mulig, og det betyr at vi trenger like lengder for de to sporene i et differensialpar.

Jo høyere stige/fall-tid for signalet ditt (ikke å forveksle med frekvensen på signalet), jo mer må du sørge for at sporene har identisk lengde. Layoutprogrammet ditt kan inneholde en funksjon som hjelper deg med å finjustere lengden på sporene for differensialpar. Hvis du har problemer med å oppnå lik lengde, kan du bruke "meander"-teknikken.

 

Et eksempel på et buktet spor

Bredde og avstand – Hold den konstant!

Jo nærmere differensiallederne er, jo bedre blir koblingen av signalene. Generert EMI vil kansellere ut mer effektivt, og mottatt EMI vil kobles mer likt inn i begge signalene. Så prøv å bringe dem veldig tett sammen.

Du bør føre differensialparlederne så langt unna nabosignaler som mulig, for å unngå interferens. Bredden på og avstanden mellom sporene dine bør velges i henhold til målimpedansen og bør være konstant over hele lengden av sporene. Så hvis mulig, bør sporene forbli parallelle når de beveger seg rundt kretskortet.

Impedans – Minimer variasjoner!

En av de viktigste tingene å gjøre når du designer et PCB med differensialsignaler, er å finne ut målimpedansen for applikasjonen din og deretter legge ut differensialparene dine deretter. Hold også impedansvariasjonene så små som mulig.

Impedansen til differensiallinjen din avhenger av faktorer som bredden på sporet, koblingen av sporene, kobberets tykkelse og PCB-materialets og lagoppstillingen. Vurder hver av disse mens du prøver å unngå alt som endrer impedansen til differensialparet ditt.

Ikke diriger høyhastighetssignaler over et gap mellom kobberområder på et plan lag, fordi dette også påvirker impedansen din. Prøv å unngå diskontinuiteter i bakkeplan.

Layout-anbefalinger – les, analyser og overtenk dem!

Og sist, men ikke minst, er det en veldig viktig ting du må gjøre når du ruter differensielle spor: Få dataarket og/eller applikasjonsnotater for brikken som sender eller mottar differensialsignalet, les gjennom layoutanbefalingene og analyser dem tett. På denne måten kan du implementere best mulig layout innenfor begrensningene til et bestemt design.

konklusjonen

Differensiell signalering lar oss overføre informasjon med lavere spenninger, god SNR, forbedret immunitet mot støy og høyere datahastigheter. På den annen side øker ledertallet, og systemet vil trenge spesialiserte sendere og mottakere i stedet for standard digitale IC-er.

I dag er differensielle signaler en del av mange standarder, inkludert LVDS, USB, CAN, RS-485 og Ethernet, og derfor bør vi alle være (i det minste) kjent med denne teknologien. Hvis du faktisk designer et PCB med differensialsignaler, husk å konsultere relevante datablad og appnotater, og om nødvendig les denne artikkelen på nytt!

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste