Temel Bilgiler: Tek Uçlu ve Diferansiyel Sinyalleme

İlk olarak, diferansiyel sinyalleşmeyi ve özelliklerini gözden geçirmeden önce tek uçlu sinyallemenin ne olduğu hakkında bazı temel bilgileri öğrenmeliyiz.

Tek Uçlu Sinyalizasyon

Tek uçlu sinyalizasyon, bir elektrik sinyalini bir göndericiden bir alıcıya iletmenin basit ve yaygın bir yoludur. Elektrik sinyali, sabit bir potansiyele, genellikle "toprak" olarak adlandırılan 0 V'luk bir düğüme atıfta bulunulan bir voltaj (genellikle değişken bir voltaj) ile iletilir.

Bir iletken sinyali, bir iletken ortak referans potansiyelini taşır. Sinyalle ilişkili akım, göndericiden alıcıya gider ve toprak bağlantısı yoluyla güç kaynağına geri döner. Birden fazla sinyal iletilirse, devre her sinyal için bir iletken artı bir paylaşılan toprak bağlantısı gerektirir; bu nedenle, örneğin, 16 iletken kullanılarak 17 sinyal iletilebilir.

 

Tek uçlu topoloji

Diferansiyel Sinyal

Tek uçlu sinyallemeye göre daha az yaygın olan diferansiyel sinyalleşme, bir bilgi sinyalini iletmek için iki tamamlayıcı voltaj sinyali kullanır. Dolayısıyla bir bilgi sinyali bir çift iletken gerektirir; biri sinyali, diğeri ise ters çevrilmiş sinyali taşır.

 

Tek uçlu vs. diferansiyel: Genel zamanlama şeması

 

Alıcı, ters çevrilmiş ve ters çevrilmemiş sinyaller arasındaki potansiyel farkı algılayarak bilgi çıkarır. İki voltaj sinyali "dengelidir", yani ortak mod voltajına göre eşit genliğe ve zıt polariteye sahiptirler. Bu gerilimlerle ilişkili dönüş akımları da dengelenir ve böylece birbirini iptal eder; bu nedenle, diferansiyel sinyallerin toprak bağlantısından (ideal olarak) sıfır akım geçtiğini söyleyebiliriz.

Diferansiyel sinyalleme ile gönderici ve alıcı mutlaka ortak bir zemin referansını paylaşmaz. Bununla birlikte, diferansiyel sinyallemenin kullanılması, gönderici ve alıcı arasındaki toprak potansiyeli farklılıklarının devrenin çalışması üzerinde hiçbir etkisi olmadığı anlamına gelmez.

Birden fazla sinyal iletiliyorsa, her sinyal için iki iletken gerekir ve tüm sinyaller diferansiyel olsa bile, bir toprak bağlantısı eklemek genellikle gerekli veya en azından faydalıdır. Bu nedenle, örneğin 16 sinyalin iletilmesi 33 iletken gerektirir (tek uçlu iletim için 17'ye kıyasla). Bu, diferansiyel sinyallemenin bariz bir dezavantajını gösterir.

 

Diferansiyel sinyal topolojisi

Diferansiyel Sinyallemenin Faydaları

Bununla birlikte, artan iletken sayısını telafi etmekten daha fazlasını yapabilen diferansiyel sinyallemenin önemli faydaları vardır.

Dönüş Akımı Yok

(İdeal olarak) geri dönüş akımımız olmadığı için, toprak referansı daha az önemli hale gelir. Toprak potansiyeli, gönderici ve alıcıda farklı olabilir veya belirli bir kabul edilebilir aralık içinde hareket edebilir. Ancak, DC bağlantılı diferansiyel sinyalizasyon (USB, RS-485, CAN gibi) genellikle sinyallerin arabirimin maksimum ve minimum izin verilen ortak mod voltajı içinde kalmasını sağlamak için paylaşılan bir toprak potansiyeli gerektirdiğinden dikkatli olmanız gerekir.

Gelen EMI ve Karışmaya Karşı Direnç

EMI (elektromanyetik girişim) veya karışma (yani, yakındaki sinyaller tarafından üretilen EMI) diferansiyel iletkenlerin dışından verilirse, ters çevrilmiş ve ters çevrilmemiş sinyale eşit olarak eklenir. Alıcı, tek uçlu (yani, toprak referanslı) voltaja değil, iki sinyal arasındaki voltaj farkına tepki verir ve bu nedenle alıcı devresi, parazit veya karışma genliğini büyük ölçüde azaltacaktır.

Bu nedenle diferansiyel sinyallerin EMI'ye, karışmaya veya diferansiyel çiftin her iki sinyaline bağlanan diğer herhangi bir gürültüye karşı daha az duyarlı olmasının nedeni budur.

Giden EMI ve Karışmanın Azaltılması

Dijital sinyallerin yükselen ve düşen kenarları gibi hızlı geçişler, önemli miktarda EMI üretebilir. Hem tek uçlu hem de diferansiyel sinyaller EMI üretir, ancak bir diferansiyel çiftteki iki sinyal, (ideal olarak) büyüklük olarak eşit, ancak polaritede zıt olan elektromanyetik alanlar yaratacaktır. Bu, iki iletken arasında yakınlığı koruyan tekniklerle birlikte (bükümlü çift kablo kullanımı gibi), iki iletkenden gelen emisyonların büyük ölçüde birbirini iptal etmesini sağlar.

Düşük Voltaj Çalışması

Tek uçlu sinyaller, yeterli sinyal-gürültü oranı (SNR) sağlamak için nispeten yüksek bir voltaj sağlamalıdır. Ortak tek uçlu arabirim voltajları 3.3 V ve 5 V'tur. Gürültüye karşı geliştirilmiş dirençleri nedeniyle, diferansiyel sinyaller daha düşük voltajlar kullanabilir ve yine de yeterli SNR'yi koruyabilir. Ayrıca, diferansiyel sinyalleşmenin SNR'si, eşdeğer bir tek uçlu uygulamaya göre otomatik olarak iki kat artırılır, çünkü diferansiyel alıcıdaki dinamik aralık, diferansiyel çift içindeki her bir sinyalin dinamik aralığından iki kat daha yüksektir.

Daha düşük sinyal voltajları kullanarak verileri başarılı bir şekilde aktarma yeteneği, birkaç önemli fayda sağlar:

• Daha düşük besleme voltajları kullanılabilir.
• Daha küçük voltaj geçişleri
  • yayılan EMI'yi azaltmak,
  • güç tüketimini azaltmak ve
  • daha yüksek çalışma frekanslarına izin verir.

Yüksek veya Düşük Durum ve Hassas Zamanlama

Bir sinyalin mantık-yüksek veya mantık-düşük durumda olup olmadığına tam olarak nasıl karar verdiğimizi hiç merak ettiniz mi? Tek uçlu sistemlerde, güç kaynağı voltajını, alıcı devresinin eşik özelliklerini, belki de bir referans voltajının değerini dikkate almalıyız. Ve elbette, mantık-yüksek veya-mantık-düşük sorusuna ek belirsizlik getiren varyasyonlar ve toleranslar vardır.

Diferansiyel sinyallerde, mantık durumunun belirlenmesi daha basittir. Tersine çevrilmemiş sinyalin voltajı, ters çevrilmiş sinyalin voltajından yüksekse, mantığınız yüksektir. Tersine çevrilmemiş voltaj, ters çevrilmiş voltajdan düşükse, mantığınız düşüktür. Ve iki durum arasındaki geçiş, ters çevrilmemiş ve ters çevrilmiş sinyallerin kesiştiği noktadır - yani çaprazlama noktası.

Bu, diferansiyel sinyalleri taşıyan tellerin veya izlerin uzunluklarını eşleştirmenin önemli olmasının bir nedenidir: Maksimum zamanlama hassasiyeti için, geçiş noktasının tam olarak mantık geçişine karşılık gelmesini istiyorsunuz, ancak çiftteki iki iletken eşit olmadığında uzunluk, yayılma gecikmesindeki fark, geçiş noktasının kaymasına neden olur.

Uygulamalar

Şu anda, diferansiyel sinyalleri kullanan birçok arayüz standardı bulunmaktadır. Bunlar aşağıdakileri içerir:

• LVDS (Düşük Voltaj Diferansiyel Sinyali)
• CML (Mevcut Mod Mantığı)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Yüksek kaliteli dengeli ses

Açıkça, diferansiyel sinyallemenin teorik avantajları, sayısız gerçek dünya uygulamasında pratik kullanımla doğrulanmıştır.

Diferansiyel İzlerin Yönlendirilmesi için Temel PCB Teknikleri

Son olarak, diferansiyel izlerin PCB'lerde nasıl yönlendirildiğinin temellerini öğrenelim. Diferansiyel sinyallerin yönlendirilmesi biraz karmaşık olabilir, ancak süreci daha basit hale getiren bazı temel kurallar vardır.

Boy ve Boy Uyumu – Eşit Tutun!

Diferansiyel sinyaller (ideal olarak) büyüklük olarak eşit ve polaritede zıttır. Bu nedenle, ideal durumda, topraktan net bir dönüş akımı akmayacaktır. Bu dönüş akımının olmaması iyi bir şeydir, bu yüzden her şeyi mümkün olduğunca ideal tutmak istiyoruz ve bu, bir diferansiyel çiftteki iki iz için eşit uzunluklara ihtiyacımız olduğu anlamına gelir.

Sinyalinizin yükselme/düşme süresi ne kadar yüksek olursa (sinyal frekansıyla karıştırılmamalıdır), izlerin aynı uzunlukta olduğundan emin olmanız gerekir. Yerleşim programınız, diferansiyel çiftler için izlerin uzunluğuna ince ayar yapmanıza yardımcı olan bir özellik içerebilir. Eşit uzunluğa ulaşmakta zorluk çekiyorsanız, "meander" tekniğini kullanabilirsiniz.

 

Menderesli bir iz örneği

Genişlik ve Aralık – Sabit Tutun!

Diferansiyel iletkenler ne kadar yakın olursa, sinyallerin bağlanması o kadar iyi olur. Oluşturulan EMI daha etkili bir şekilde iptal edilecek ve alınan EMI her iki sinyale daha eşit şekilde bağlanacaktır. Bu yüzden onları gerçekten yakınlaştırmaya çalışın.

Paraziti önlemek için diferansiyel çift iletkenleri komşu sinyallerden mümkün olduğunca uzağa yönlendirmelisiniz. İzlerinizin genişliği ve arasındaki boşluk, hedef empedansa göre seçilmeli ve izlerin tüm uzunluğu boyunca sabit kalmalıdır. Bu nedenle, mümkünse, izler PCB'nin etrafında dolaşırken paralel kalmalıdır.

Empedans – Varyasyonları En Aza İndirin!

Diferansiyel sinyalli bir PCB tasarlarken yapılacak en önemli şeylerden biri, uygulamanız için hedef empedansı bulmak ve ardından diferansiyel çiftlerinizi buna göre düzenlemektir. Ayrıca, empedans değişimlerini mümkün olduğu kadar küçük tutun.

Diferansiyel hattınızın empedansı, izin genişliği, izlerin bağlanması, bakırın kalınlığı ve PCB'nin malzemesi ve katman yığını gibi faktörlere bağlıdır. Diferansiyel çiftinizin empedansını değiştiren herhangi bir şeyden kaçınmaya çalışırken bunların her birini düşünün.

Yüksek hızlı sinyalleri bir düzlem katmanındaki bakır alanlar arasındaki bir boşluk üzerinden yönlendirmeyin, çünkü bu aynı zamanda empedansını da etkiler. Yer düzlemlerinde süreksizliklerden kaçınmaya çalışın.

Düzen Önerileri – Okuyun, Analiz Edin ve Üzerinde Düşünün!

Ve son olarak, ama en az değil, diferansiyel izlerini yönlendirirken yapmanız gereken çok önemli bir şey var: Diferansiyel sinyali gönderen veya alan çip için veri sayfasını ve/veya uygulama notlarını alın, yerleşim önerilerini okuyun ve analiz edin. onları yakından. Bu şekilde, belirli bir tasarımın kısıtlamaları dahilinde mümkün olan en iyi düzeni uygulayabilirsiniz.

Sonuç

Diferansiyel sinyalleme, bilgileri daha düşük voltajlar, iyi SNR, gürültüye karşı geliştirilmiş bağışıklık ve daha yüksek veri hızları ile iletmemizi sağlar. Öte yandan, iletken sayısı artar ve sistemin standart dijital IC'ler yerine özel vericilere ve alıcılara ihtiyacı olacaktır.

Günümüzde diferansiyel sinyaller, LVDS, USB, CAN, RS-485 ve Ethernet dahil olmak üzere birçok standardın bir parçasıdır ve bu nedenle hepimiz (en azından) bu teknolojiye aşina olmalıyız. Eğer gerçekten diferansiyel sinyalli bir PCB tasarlıyorsanız, ilgili veri sayfalarına ve uygulama notlarına bakmayı ve gerekirse bu makaleyi tekrar okumayı unutmayın!

Mesaj bırakın 

İleti listesi