Conceptos básicos: sinalización unilateral e diferencial

En primeiro lugar, temos que aprender algúns conceptos básicos sobre o que é a sinalización de extremo único antes de poder repasar a sinalización diferencial e as súas características.

Sinalización unilateral

A sinalización unilateral é unha forma sinxela e común de transmitir un sinal eléctrico dun emisor a un receptor. O sinal eléctrico transmítese por unha tensión (a miúdo unha tensión variable), que se fai referencia a un potencial fixo, normalmente un nodo de 0 V denominado "terra".

Un condutor leva o sinal e un condutor leva o potencial de referencia común. A corrente asociada ao sinal viaxa do emisor ao receptor e volve á fonte de alimentación a través da conexión a terra. Se se transmiten varios sinais, o circuíto requirirá un condutor para cada sinal máis unha conexión a terra compartida; así, por exemplo, pódense transmitir 16 sinais utilizando 17 condutores.

 

Topoloxía de extremo único

Sinalización diferencial

A sinalización diferencial, que é menos común que a sinalización de extremo único, emprega dous sinais de tensión complementarios para transmitir un sinal de información. Polo tanto, un sinal de información require un par de condutores; un leva o sinal e o outro leva o sinal invertido.

 

Diferencial único vs.: diagrama de tempo xenérico

 

O receptor extrae información detectando a diferenza de potencial entre os sinais invertidos e os non invertidos. Os dous sinais de tensión están "equilibrados", o que significa que teñen a mesma amplitude e polaridade oposta en relación a unha tensión de modo común. As correntes de retorno asociadas a estas tensións tamén están equilibradas e así se anulan mutuamente; por este motivo, podemos dicir que os sinais diferenciais teñen (idealmente) corrente nula que circula pola conexión de terra.

Coa sinalización diferencial, o emisor e o receptor non necesariamente comparten unha referencia común. Non obstante, o uso de sinalización diferencial non significa que as diferenzas de potencial de terra entre emisor e receptor non teñan ningún efecto no funcionamento do circuíto.

Se se transmiten varios sinais, son necesarios dous condutores para cada sinal, e moitas veces é necesario ou polo menos beneficioso incluír unha conexión a terra, aínda que todos os sinais sexan diferenciais. Así, por exemplo, a transmisión de 16 sinais requiriría 33 condutores (en comparación cos 17 para a transmisión de extremo único). Isto demostra unha desvantaxe obvia da sinalización diferencial.

 

Topoloxía de sinalización diferencial

Beneficios da sinalización diferencial

Non obstante, hai importantes beneficios da sinalización diferencial que poden compensar con creces o aumento do número de condutores.

Corrente sen retorno

Dado que (idealmente) non temos corrente de retorno, a referencia de terra faise menos importante. O potencial de terra pode incluso ser diferente no emisor e no receptor ou movéndose dentro dun certo rango aceptable. Non obstante, cómpre ter coidado porque a sinalización diferencial acoplada a CC (como USB, RS-485, CAN) xeralmente require un potencial de terra compartido para garantir que os sinais se manteñan dentro da tensión de modo común máxima e mínima permitida da interface.

Resistencia a EMI entrante e diafonía

Se se introduce EMI (interferencia electromagnética) ou diafonía (é dicir, EMI xerada por sinais próximos) desde fóra dos condutores diferenciais, engádese por igual ao sinal invertido e non invertido. O receptor responde á diferenza de tensión entre os dous sinais e non á tensión unilateral (é dicir, referenciada a terra), polo que o circuíto do receptor reducirá moito a amplitude da interferencia ou da diafonía.

É por iso que os sinais diferenciais son menos sensibles á EMI, á diafonía ou a calquera outro ruído que se acople a ambos os sinais do par diferencial.

Redución da EMI saínte e da diafonía

As transicións rápidas, como os bordos ascendentes e descendentes dos sinais dixitais, poden xerar cantidades significativas de EMI. Tanto os sinais de extremo único como os diferenciais xeran EMI, pero os dous sinais nun par diferencial crearán campos electromagnéticos que son (idealmente) iguais en magnitude pero de polaridade oposta. Isto, en conxunto con técnicas que manteñen unha estreita proximidade entre os dous condutores (como o uso de cables de par trenzado), garante que as emisións dos dous condutores se cancelen en gran medida entre si.

Funcionamento a baixa tensión

Os sinais dun só extremo deben manter unha tensión relativamente alta para garantir unha relación sinal-ruído (SNR) adecuada. As tensións comúns das interfaces unilaterales son 3.3 V e 5 V. Debido á súa mellor resistencia ao ruído, os sinais diferenciais poden usar voltaxes máis baixas e aínda manter unha SNR adecuada. Ademais, a SNR da sinalización diferencial increméntase automaticamente nun factor de dous en relación a unha implementación unilateral equivalente, porque o rango dinámico no receptor diferencial é dúas veces máis alto que o rango dinámico de cada sinal dentro do par diferencial.

A capacidade de transferir datos con éxito usando voltaxes de sinal máis baixas inclúe algúns beneficios importantes:

• Pódense utilizar tensións de alimentación máis baixas.
• Transicións de tensión menores
  • reducir EMI irradiado,
  • reducir o consumo de enerxía, e
  • permiten frecuencias de operación máis altas.

Estado alto ou baixo e tempo preciso

Algunha vez te preguntas como decidimos exactamente se un sinal está nun estado lóxico-alto ou lóxico-baixo? Nos sistemas unilaterales, temos que considerar a tensión da fonte de alimentación, as características de limiar dos circuítos do receptor, quizais o valor dunha tensión de referencia. E, por suposto, hai variacións e tolerancias, que traen incerteza adicional á cuestión lóxica-alta ou lóxica-baixa.

En sinais diferenciais, determinar o estado lóxico é máis sinxelo. Se a tensión do sinal non invertido é maior que a tensión do sinal invertido, a lóxica é alta. Se a tensión non invertida é menor que a tensión invertida, a lóxica é baixa. E a transición entre os dous estados é o punto no que se cruzan os sinais non invertidos e os invertidos, é dicir, o punto de cruce.

Esta é unha das razóns polas que é importante facer coincidir as lonxitudes dos cables ou trazos que transportan sinais diferenciais: para obter a máxima precisión de temporización, quere que o punto de cruce corresponda exactamente coa transición lóxica, pero cando os dous condutores do par non son iguais. lonxitude, a diferenza no atraso de propagación fará que o punto de cruce se cambie.

aplicacións

Actualmente existen moitos estándares de interface que empregan sinais diferenciais. Estes inclúen os seguintes:

• Sinalización diferencial de baixa tensión (LVDS)
• CML (Modo lóxico actual)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Audio equilibrado de alta calidade

Claramente, as vantaxes teóricas da sinalización diferencial foron confirmadas polo uso práctico en innumerables aplicacións do mundo real.

Técnicas básicas de PCB para enrutar trazas diferenciais

Finalmente, imos aprender os conceptos básicos de como se encamiñan as trazas diferenciais nos PCB. O enrutamento de sinais diferenciais pode ser un pouco complexo, pero hai algunhas regras básicas que fan que o proceso sexa máis sinxelo.

Coincidencia de lonxitude e lonxitude - Mantéñase igual!

Os sinais diferenciais son (idealmente) iguais en magnitude e opostos en polaridade. Así, no caso ideal, ningunha corrente de retorno neta circulará polo chan. Esta ausencia de corrente de retorno é unha boa cousa, polo que queremos manter todo o máis ideal posible, e iso significa que necesitamos lonxitudes iguais para as dúas trazas nun par diferencial.

Canto maior sexa o tempo de subida/descenso do sinal (que non debe confundirse coa frecuencia do sinal), máis tes que asegurarte de que os trazos teñan a mesma lonxitude. O teu programa de deseño pode incluír unha función que che axude a axustar a lonxitude dos trazos para os pares diferenciais. Se tes dificultade para acadar a mesma lonxitude, podes usar a técnica do "meandro".

 

Un exemplo de trazo meandro

Ancho e espazamento: mantelo constante!

Canto máis próximos estean os condutores diferenciais, mellor será o acoplamento dos sinais. A EMI xerada cancelarase de forma máis efectiva e a EMI recibida acoplarase de forma máis equitativa a ambos os sinais. Entón, intenta achegalos moito.

Debería dirixir os condutores do par diferencial o máis lonxe posible dos sinais veciños, para evitar interferencias. O ancho e o espazo entre os seus trazos deben seleccionarse segundo a impedancia obxectivo e deben permanecer constantes durante toda a lonxitude dos trazos. Polo tanto, se é posible, as trazas deben permanecer paralelas mentres viaxan polo PCB.

Impedancia: minimiza as variacións.

Unha das cousas máis importantes que se debe facer ao deseñar un PCB con sinais diferenciais é descubrir a impedancia de destino para a súa aplicación e, a continuación, establecer os seus pares diferenciais en consecuencia. Ademais, manteña as variacións de impedancia o máis pequenas posible.

A impedancia da súa liña diferencial depende de factores como o ancho da traza, o acoplamento das trazas, o espesor do cobre e o material do PCB e a acumulación de capas. Considere cada un destes mentres intenta evitar calquera cousa que cambie a impedancia do seu par diferencial.

Non encamine os sinais de alta velocidade sobre un espazo entre áreas de cobre nunha capa plana, porque isto tamén afecta a súa impedancia. Intente evitar descontinuidades nos planos terrestres.

Recomendacións de deseño: leas, analízaas e pénsaas de máis.

E, por último, pero non menos importante, hai unha cousa moi importante que tes que facer ao enrutar trazos diferenciais: obter a folla de datos e/ou as notas da aplicación para o chip que está a enviar ou recibir o sinal diferencial, ler as recomendacións de deseño e analizar eles de preto. Deste xeito, pode implementar o mellor deseño posible dentro das limitacións dun deseño particular.

Conclusión

A sinalización diferencial permítenos transmitir información con voltaxes máis baixas, boa SNR, mellor inmunidade ao ruído e velocidades de datos máis altas. Por outra banda, o reconto de condutores aumenta e o sistema necesitará transmisores e receptores especializados en lugar de circuitos integrados dixitais estándar.

Hoxe en día, os sinais diferenciais forman parte de moitos estándares, incluíndo LVDS, USB, CAN, RS-485 e Ethernet, polo que todos deberíamos estar (polo menos) familiarizados con esta tecnoloxía. Se realmente estás a deseñar un PCB con sinais diferenciais, lembre de consultar as follas de datos relevantes e as notas da aplicación e, se é necesario, ler este artigo de novo.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes