Grunderna: Single-Ended och Differential Signaling

Först måste vi lära oss några grunder om vad ensidig signalering är innan vi kan gå igenom differentiell signalering och dess egenskaper.

Single-Ended Signalering

Single-ended signalering är ett enkelt och vanligt sätt att överföra en elektrisk signal från en sändare till en mottagare. Den elektriska signalen sänds av en spänning (ofta en varierande spänning), som refereras till en fast potential, vanligtvis en 0 V-nod som kallas "jord".

En ledare bär signalen och en ledare bär den gemensamma referenspotentialen. Strömmen som är associerad med signalen går från sändare till mottagare och återgår till strömförsörjningen via jordanslutningen. Om flera signaler sänds kommer kretsen att kräva en ledare för varje signal plus en delad jordanslutning; sålunda kan till exempel 16 signaler överföras med 17 ledare.

 

Enändad topologi

Differentiell signalering

Differentialsignalering, som är mindre vanlig än ensidig signalering, använder två komplementära spänningssignaler för att sända en informationssignal. Så en informationssignal kräver ett par ledare; en bär signalen och den andra bär den inverterade signalen.

 

Single-end vs. differential: Generiskt timingdiagram

 

Mottagaren extraherar information genom att detektera potentialskillnaden mellan de inverterade och icke-inverterade signalerna. De två spänningssignalerna är "balanserade", vilket betyder att de har samma amplitud och motsatt polaritet i förhållande till en common-mode spänning. Returströmmarna förknippade med dessa spänningar är också balanserade och tar därmed ut varandra; av denna anledning kan vi säga att differentialsignaler har (helst) noll ström som flyter genom jordanslutningen.

Med differentiell signalering delar sändaren och mottagaren inte nödvändigtvis en gemensam jordreferens. Användningen av differentiell signalering betyder dock inte att skillnader i jordpotential mellan sändare och mottagare inte har någon effekt på kretsens funktion.

Om flera signaler sänds behövs två ledare för varje signal, och det är ofta nödvändigt eller åtminstone fördelaktigt att inkludera en jordanslutning, även när alla signaler är differentiella. Således skulle t.ex. sända 16 signaler kräva 33 ledare (jämfört med 17 för enkeländsöverföring). Detta visar en uppenbar nackdel med differentiell signalering.

 

Differentiell signaleringstopologi

Fördelar med differentiell signalering

Det finns dock viktiga fördelar med differentiell signalering som mer än kan kompensera för det ökade antalet ledare.

Ingen returström

Eftersom vi (helst) inte har någon returström blir jordreferensen mindre viktig. Jordpotentialen kan till och med vara olika hos sändaren och mottagaren eller röra sig inom ett visst acceptabelt område. Du måste dock vara försiktig eftersom DC-kopplad differentialsignalering (som USB, RS-485, CAN) i allmänhet kräver en delad jordpotential för att säkerställa att signalerna håller sig inom gränssnittets maximala och lägsta tillåtna common-mode-spänning.

Motstånd mot inkommande EMI och överhörning

Om EMI (elektromagnetisk interferens) eller överhörning (dvs. EMI genererad av närliggande signaler) införs från utsidan av differentialledarna, adderas den lika till den inverterade och icke-inverterade signalen. Mottagaren reagerar på skillnaden i spänning mellan de två signalerna och inte på den ensidiga (dvs. jordreferens) spänningen, och sålunda kommer mottagarens kretsar att avsevärt minska amplituden för interferensen eller överhörningen.

Det är därför differentialsignaler är mindre känsliga för EMI, överhörning eller något annat brus som kopplas in i båda signalerna i differentialparet.

Minskning av utgående EMI och överhörning

Snabba övergångar, såsom stigande och fallande kanter på digitala signaler, kan generera betydande mängder EMI. Både ensidiga och differentiella signaler genererar EMI, men de två signalerna i ett differentiellt par kommer att skapa elektromagnetiska fält som (helst) är lika stora men motsatta i polaritet. Detta, i kombination med tekniker som upprätthåller närhet mellan de två ledarna (såsom användning av tvinnad-par-kabel), säkerställer att emissionerna från de två ledarna till stor del kommer att eliminera varandra.

Drift med lägre spänning

Single-end-signaler måste bibehålla en relativt hög spänning för att säkerställa adekvat signal-brus-förhållande (SNR). Vanliga ensidiga gränssnittsspänningar är 3.3 V och 5 V. På grund av deras förbättrade motstånd mot brus kan differentialsignaler använda lägre spänningar och ändå bibehålla adekvat SNR. SNR för differentialsignalering ökas också automatiskt med en faktor två i förhållande till en ekvivalent ensidig implementering, eftersom det dynamiska området vid differentialmottagaren är dubbelt så högt som det dynamiska området för varje signal inom differentialparet.

Möjligheten att framgångsrikt överföra data med lägre signalspänningar kommer med några viktiga fördelar:

• Lägre matningsspänningar kan användas.
• Mindre spänningsövergångar
  • minska utstrålad EMI,
  • minska strömförbrukningen och
  • möjliggör högre driftfrekvenser.

Högt eller lågt tillstånd och exakt timing

Har du någonsin undrat hur exakt vi avgör om en signal är i ett logiskt högt eller logiskt lågt tillstånd? I ensidiga system måste vi ta hänsyn till strömförsörjningsspänningen, tröskelegenskaperna hos mottagarkretsen, kanske värdet på en referensspänning. Och naturligtvis finns det variationer och toleranser, som för med sig ytterligare osäkerhet i frågan om logik-hög- eller-logisk-låg.

I differentialsignaler är det enklare att bestämma det logiska tillståndet. Om den icke-inverterade signalens spänning är högre än den inverterade signalens spänning, har du logik hög. Om den icke-inverterade spänningen är lägre än den inverterade spänningen har du logik låg. Och övergången mellan de två tillstånden är punkten där de icke-inverterade och inverterade signalerna skär varandra – dvs korsningspunkten.

Detta är en anledning till varför det är viktigt att matcha längderna på ledningar eller spår som bär differentialsignaler: För maximal timingprecision vill du att övergångspunkten ska motsvara exakt den logiska övergången, men när de två ledarna i paret inte är lika längd, kommer skillnaden i utbredningsfördröjning att göra att övergångspunkten förskjuts.

Applikationer

Det finns för närvarande många gränssnittsstandarder som använder differentiella signaler. Dessa inkluderar följande:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)
• CML (Current Mode Logic)
• RS485
• RS422
• ethernet
• KAN
• USB
• Högkvalitativt balanserat ljud

Uppenbarligen har de teoretiska fördelarna med differentiell signalering bekräftats genom praktisk användning i otaliga verkliga tillämpningar.

Grundläggande PCB-tekniker för routing av differentiella spår

Slutligen, låt oss lära oss grunderna om hur differentiella spår dirigeras på PCB. Att dirigera differentialsignaler kan vara lite komplicerat, men det finns några grundläggande regler som gör processen enklare.

Längd- och längdmatchning – Håll det lika!

Differentialsignaler är (helst) lika stora och motsatta i polaritet. I det ideala fallet kommer således ingen nettoreturström att flyta genom marken. Denna frånvaro av returström är en bra sak, så vi vill hålla allt så idealiskt som möjligt, och det betyder att vi behöver lika längder för de två spåren i ett differentialpar.

Ju högre stig-/falltid din signal har (inte att förväxla med signalens frekvens), desto mer måste du se till att spåren har identisk längd. Ditt layoutprogram kan innehålla en funktion som hjälper dig att finjustera längden på spår för differentialpar. Om du har svårt att uppnå samma längd kan du använda "meander"-tekniken.

 

Ett exempel på ett slingrande spår

Bredd och avstånd – Håll det konstant!

Ju närmare differentialledarna är desto bättre blir kopplingen av signalerna. Genererad EMI kommer att ta bort mer effektivt, och mottagen EMI kommer att kopplas mer lika till båda signalerna. Så försök att föra dem riktigt nära varandra.

Du bör dra differentialparledarna så långt bort från närliggande signaler som möjligt för att undvika störningar. Bredden på och utrymmet mellan dina spår bör väljas i enlighet med målimpedansen och bör förbli konstant över hela längden av spåren. Så om möjligt bör spåren förbli parallella när de färdas runt kretskortet.

Impedans – Minimera variationer!

En av de viktigaste sakerna att göra när man designar ett kretskort med differentialsignaler är att ta reda på målimpedansen för din applikation och sedan lägga ut dina differentialpar i enlighet med detta. Håll också impedansvariationerna så små som möjligt.

Impedansen för din differentiallinje beror på faktorer som spårets bredd, spårens koppling, kopparns tjocklek och PCB:s material och lageruppsättning. Tänk på var och en av dessa när du försöker undvika allt som förändrar impedansen för ditt differentialpar.

Rikta inte höghastighetssignaler över ett gap mellan kopparområden på ett plant lager, eftersom detta också påverkar din impedans. Försök att undvika diskontinuiteter i jordplan.

Layoutrekommendationer – Läs, analysera och övertänk dem!

Och sist men inte minst, det är en mycket viktig sak du måste göra när du dirigerar differentialspår: Skaffa databladet och/eller applikationsanteckningarna för chippet som skickar eller tar emot differentialsignalen, läs igenom layoutrekommendationerna och analysera dem nära. På så sätt kan du implementera bästa möjliga layout inom ramen för en viss design.

Slutsats

Differentiell signalering tillåter oss att överföra information med lägre spänningar, bra SNR, förbättrad immunitet mot brus och högre datahastigheter. Å andra sidan ökar antalet ledare, och systemet kommer att behöva specialiserade sändare och mottagare istället för vanliga digitala IC.

Nuförtiden är differentialsignaler en del av många standarder, inklusive LVDS, USB, CAN, RS-485 och Ethernet, och därför borde vi alla (åtminstone) vara bekanta med denna teknik. Om du faktiskt designar ett kretskort med differentialsignaler, kom ihåg att konsultera relevanta datablad och appanteckningar, och om nödvändigt läs den här artikeln igen!

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC