مبانی: سیگنال دهی تک پایانی و دیفرانسیل

ابتدا، قبل از اینکه بتوانیم سیگنال دهی دیفرانسیل و ویژگی های آن را بررسی کنیم، باید اصول اولیه را در مورد اینکه سیگنالینگ تک سر چیست، بیاموزیم.

سیگنال دهی تک پایانی

سیگنالینگ تک پایانی روشی ساده و متداول برای انتقال سیگنال الکتریکی از فرستنده به گیرنده است. سیگنال الکتریکی توسط یک ولتاژ (اغلب یک ولتاژ متغیر) منتقل می شود که به یک پتانسیل ثابت ارجاع داده می شود، معمولاً یک گره 0 ولت که به آن "زمین" می گویند.

یک هادی حامل سیگنال و یک هادی حامل پتانسیل مرجع مشترک است. جریان مرتبط با سیگنال از فرستنده به گیرنده می رود و از طریق اتصال زمین به منبع تغذیه باز می گردد. اگر چندین سیگنال ارسال شود، مدار به یک هادی برای هر سیگنال به اضافه یک اتصال زمین مشترک نیاز دارد. بنابراین، برای مثال، 16 سیگنال را می توان با استفاده از 17 هادی منتقل کرد.

 

توپولوژی تک پایانی

سیگنال دهی دیفرانسیل

سیگنال دهی دیفرانسیل، که کمتر از سیگنالینگ تک سر رایج است، از دو سیگنال ولتاژ مکمل برای انتقال یک سیگنال اطلاعاتی استفاده می کند. بنابراین یک سیگنال اطلاعاتی به یک جفت رسانا نیاز دارد. یکی حامل سیگنال و دیگری حامل سیگنال معکوس است.

 

یک پایانه در مقابل دیفرانسیل: نمودار زمان بندی عمومی

 

گیرنده اطلاعات را با تشخیص تفاوت پتانسیل بین سیگنال های معکوس و غیر معکوس استخراج می کند. دو سیگنال ولتاژ "متعادل" هستند، به این معنی که آنها دارای دامنه برابر و قطبیت مخالف نسبت به ولتاژ حالت مشترک هستند. جریانهای برگشتی مرتبط با این ولتاژها نیز متعادل هستند و بنابراین یکدیگر را خنثی می کنند. به همین دلیل، می‌توان گفت که سیگنال‌های دیفرانسیل (در حالت ایده‌آل) جریان صفر دارند که از اتصال زمین عبور می‌کند.

با سیگنال دهی دیفرانسیل، فرستنده و گیرنده لزوماً مرجع مشترکی ندارند. با این حال، استفاده از سیگنال دهی دیفرانسیل به این معنی نیست که تفاوت در پتانسیل زمین بین فرستنده و گیرنده تأثیری بر عملکرد مدار ندارد.

اگر چندین سیگنال ارسال شود، برای هر سیگنال دو هادی مورد نیاز است، و اغلب لازم است یا حداقل مفید است که یک اتصال زمین را شامل شود، حتی زمانی که همه سیگنال ها دیفرانسیل هستند. بنابراین، برای مثال، انتقال 16 سیگنال به 33 هادی (در مقایسه با 17 سیگنال برای انتقال یک سر) نیاز دارد. این یک نقطه ضعف آشکار سیگنال دهی دیفرانسیل را نشان می دهد.

 

توپولوژی سیگنالینگ دیفرانسیل

مزایای سیگنالینگ دیفرانسیل

با این حال، مزایای مهم سیگنال دهی دیفرانسیل وجود دارد که می تواند بیش از افزایش تعداد هادی ها را جبران کند.

جریان بدون بازگشت

از آنجایی که (در حالت ایده آل) هیچ جریان برگشتی نداریم، مرجع زمین اهمیت کمتری پیدا می کند. پتانسیل زمین حتی می تواند در فرستنده و گیرنده متفاوت باشد یا در یک محدوده قابل قبول حرکت کند. با این حال، باید مراقب باشید زیرا سیگنال دهی دیفرانسیل جفت شده با DC (مانند USB، RS-485، CAN) معمولاً به یک پتانسیل زمین مشترک نیاز دارد تا اطمینان حاصل شود که سیگنال ها در حداکثر و حداقل ولتاژ مجاز حالت مشترک رابط باقی می مانند.

مقاومت در برابر EMI ورودی و Crosstalk

اگر EMI (تداخل الکترومغناطیسی) یا تداخل (یعنی EMI تولید شده توسط سیگنال های نزدیک) از خارج از هادی های دیفرانسیل وارد شود، به طور مساوی به سیگنال معکوس و غیر معکوس اضافه می شود. گیرنده به اختلاف ولتاژ بین دو سیگنال پاسخ می دهد و نه به ولتاژ تک سر (یعنی ارجاع به زمین) و بنابراین مدار گیرنده دامنه تداخل یا تداخل را تا حد زیادی کاهش می دهد.

به همین دلیل است که سیگنال‌های دیفرانسیل نسبت به EMI، تداخل یا هر نویز دیگری که در هر دو سیگنال جفت دیفرانسیل جفت می‌شود، حساسیت کمتری دارند.

کاهش EMI خروجی و Crosstalk

انتقال سریع، مانند لبه های بالا و پایین سیگنال های دیجیتال، می تواند مقادیر قابل توجهی EMI تولید کند. هر دو سیگنال یک سر و سیگنال های دیفرانسیل EMI تولید می کنند، اما دو سیگنال در یک جفت دیفرانسیل، میدان های الکترومغناطیسی ایجاد می کنند که (در حالت ایده آل) از نظر قدر مساوی اما از نظر قطبیت مخالف هستند. این، همراه با تکنیک هایی که نزدیکی بین دو هادی را حفظ می کنند (مانند استفاده از کابل جفت پیچ خورده)، تضمین می کند که انتشارات دو هادی تا حد زیادی یکدیگر را خنثی می کنند.

عملکرد ولتاژ پایین

سیگنال های تک سر باید ولتاژ نسبتا بالایی را برای اطمینان از نسبت سیگنال به نویز کافی (SNR) حفظ کنند. ولتاژهای معمولی رابط تک سر 3.3 ولت و 5 ولت هستند. سیگنال های دیفرانسیل به دلیل مقاومت بهبود یافته در برابر نویز، می توانند از ولتاژهای پایین تری استفاده کنند و همچنان SNR کافی را حفظ کنند. همچنین، SNR سیگنال دهی دیفرانسیل به طور خودکار با ضریب دو نسبت به یک پیاده سازی یک سر معادل افزایش می یابد، زیرا محدوده دینامیکی در گیرنده دیفرانسیل دو برابر بیشتر از محدوده دینامیکی هر سیگنال در جفت دیفرانسیل است.

توانایی انتقال موفقیت آمیز داده ها با استفاده از ولتاژ سیگنال پایین تر دارای چند مزیت مهم است:

• می توان از ولتاژهای تغذیه کمتر استفاده کرد.
• انتقال ولتاژ کوچکتر
  • کاهش EMI تابشی،
  • کاهش مصرف برق و
  • امکان فرکانس های عملیاتی بالاتر

حالت بالا یا پایین و زمان بندی دقیق

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که دقیقاً چگونه تصمیم می گیریم که یک سیگنال در حالت منطقی بالا یا منطقی پایین باشد؟ در سیستم های تک سر، ما باید ولتاژ منبع تغذیه، ویژگی های آستانه مدار گیرنده، شاید مقدار یک ولتاژ مرجع را در نظر بگیریم. و البته تغییرات و تحمل‌هایی وجود دارد که عدم قطعیت بیشتری را در سؤال منطقی بالا یا منطقی پایین ایجاد می‌کند.

در سیگنال های دیفرانسیل، تعیین حالت منطقی ساده تر است. اگر ولتاژ سیگنال غیر معکوس بالاتر از ولتاژ سیگنال معکوس باشد، شما منطقی بالایی دارید. اگر ولتاژ معکوس کمتر از ولتاژ معکوس باشد، شما دارای منطق کم هستید. و انتقال بین دو حالت نقطه ای است که سیگنال های غیر معکوس و معکوس در آن تلاقی می کنند - یعنی نقطه متقاطع.

این یکی از دلایل مهم تطبیق طول سیم‌ها یا ردپای حامل سیگنال‌های دیفرانسیل است: برای حداکثر دقت زمان‌بندی، می‌خواهید نقطه متقاطع دقیقاً با انتقال منطقی مطابقت داشته باشد، اما زمانی که دو هادی در جفت با هم برابر نباشند. طول، تفاوت در تأخیر انتشار باعث می شود نقطه متقاطع جابجا شود.

اپلیکیشن‌ها

در حال حاضر استانداردهای رابط زیادی وجود دارد که از سیگنال های دیفرانسیل استفاده می کنند. این موارد شامل موارد زیر است:

• LVDS (سیگنال دهی دیفرانسیل با ولتاژ پایین)
• CML (منطق حالت فعلی)
• RS485
• RS422
• اترنت
• CAN
• یو اس بی
• صدای متعادل با کیفیت بالا

واضح است که مزایای نظری سیگنال دهی دیفرانسیل با استفاده عملی در کاربردهای بی شماری در دنیای واقعی تایید شده است.

تکنیک های اصلی PCB برای مسیریابی ردیابی های دیفرانسیل

در نهایت، بیایید اصول اولیه نحوه مسیریابی ردیابی های دیفرانسیل روی PCB ها را بیاموزیم. مسیریابی سیگنال های دیفرانسیل ممکن است کمی پیچیده باشد، اما برخی قوانین اساسی وجود دارد که فرآیند را ساده تر می کند.

تطبیق طول و طول - آن را برابر نگه دارید!

سیگنال های دیفرانسیل (در حالت ایده آل) از نظر قدر برابر و از نظر قطبیت مخالف هستند. بنابراین، در حالت ایده آل، هیچ جریان بازگشتی خالصی از زمین عبور نخواهد کرد. این عدم وجود جریان برگشتی چیز خوبی است، بنابراین ما می‌خواهیم همه چیز را تا حد امکان ایده‌آل نگه داریم، و این بدان معناست که به طول‌های مساوی برای دو ردیابی در یک جفت دیفرانسیل نیاز داریم.

هر چه زمان افزایش/افت سیگنال شما بیشتر باشد (نباید با فرکانس سیگنال اشتباه گرفته شود)، بیشتر باید از طول یکسانی ردیابی اطمینان حاصل کنید. برنامه طرح‌بندی شما ممکن است دارای ویژگی باشد که به شما کمک می‌کند طول ردیابی‌ها را برای جفت‌های دیفرانسیل تنظیم کنید. اگر در رسیدن به طول مساوی مشکل دارید، می توانید از تکنیک "پیچان" استفاده کنید.

 

نمونه ای از رد پیچ ​​خورده

عرض و فاصله - ثابت نگه دارید!

هر چه هادی های دیفرانسیل نزدیکتر باشند، کوپلینگ سیگنال ها بهتر خواهد بود. EMI تولید شده به طور موثرتری لغو می شود و EMI دریافتی به طور مساوی در هر دو سیگنال جفت می شود. بنابراین سعی کنید آنها را واقعاً به هم نزدیک کنید.

برای جلوگیری از تداخل، باید هادی های جفت دیفرانسیل را تا حد امکان از سیگنال های همسایه دور کنید. عرض و فضای بین ردپای شما باید با توجه به امپدانس هدف انتخاب شود و در تمام طول ردیابی ثابت بماند. بنابراین در صورت امکان، ردپاها باید در حین حرکت در اطراف PCB موازی باقی بمانند.

امپدانس - به حداقل رساندن تغییرات!

یکی از مهم ترین کارهایی که باید هنگام طراحی PCB با سیگنال های دیفرانسیل انجام دهید، این است که امپدانس هدف را برای برنامه خود بیابید و سپس جفت های دیفرانسیل خود را مطابق با آن قرار دهید. همچنین تغییرات امپدانس را تا حد امکان کوچک نگه دارید.

امپدانس خط دیفرانسیل شما به عواملی مانند عرض ردیابی، جفت شدن ردپاها، ضخامت مس، و مواد PCB و انباشته شدن لایه بستگی دارد. هر یک از این موارد را در نظر بگیرید زیرا سعی می کنید از هر چیزی که امپدانس جفت دیفرانسیل شما را تغییر می دهد اجتناب کنید.

سیگنال‌های پرسرعت را روی یک شکاف بین مناطق مسی روی یک لایه مسطح هدایت نکنید، زیرا این امر بر امپدانس شما نیز تأثیر می‌گذارد. سعی کنید از ناپیوستگی در سطوح زمینی خودداری کنید.

توصیه های چیدمان - آنها را بخوانید، تجزیه و تحلیل کنید و بیش از حد فکر کنید!

و، در آخر، یک چیز بسیار مهم وجود دارد که باید هنگام مسیریابی ردیابی های دیفرانسیل انجام دهید: برگه داده و/یا یادداشت های برنامه را برای تراشه ای که سیگنال دیفرانسیل را ارسال یا دریافت می کند، دریافت کنید، توصیه های طرح بندی را بخوانید و آنالیز کنید. آنها را از نزدیک به این ترتیب می توانید بهترین طرح ممکن را در چارچوب محدودیت های یک طرح خاص پیاده سازی کنید.

نتیجه

سیگنالینگ دیفرانسیل به ما امکان می دهد اطلاعات را با ولتاژهای پایین تر، SNR خوب، ایمنی بهبود یافته در برابر نویز و نرخ داده بالاتر منتقل کنیم. از طرف دیگر تعداد هادی ها افزایش می یابد و سیستم به جای آی سی های دیجیتال استاندارد به فرستنده ها و گیرنده های تخصصی نیاز دارد.

امروزه سیگنال های دیفرانسیل بخشی از بسیاری از استانداردها از جمله LVDS، USB، CAN، RS-485 و اترنت هستند و بنابراین همه ما باید (حداقل) با این فناوری آشنا باشیم. اگر واقعاً یک PCB با سیگنال های دیفرانسیل طراحی می کنید، به یاد داشته باشید که از برگه های داده و یادداشت های برنامه مربوطه مشورت کنید و در صورت لزوم دوباره این مقاله را بخوانید!

ترک یک پیام 

فهرست پیام