Ang Mga Pangunahing Kaalaman: Single-Ended at Differential Signaling

Una, kailangan nating matutunan ang ilang pangunahing kaalaman tungkol sa kung ano ang single-ended signaling bago natin matalakay ang differential signaling at ang mga katangian nito.

Single-Ended Signaling

Ang single-ended signaling ay isang simple at karaniwang paraan ng pagpapadala ng electrical signal mula sa isang nagpadala patungo sa isang receiver. Ang de-koryenteng signal ay ipinapadala sa pamamagitan ng isang boltahe (kadalasan ay isang iba't ibang boltahe), na tinutukoy sa isang nakapirming potensyal, karaniwang isang 0 V node na tinutukoy bilang "lupa."

Isang konduktor ang nagdadala ng signal at isang konduktor ang nagdadala ng karaniwang potensyal na sanggunian. Ang kasalukuyang nauugnay sa signal ay naglalakbay mula sa nagpadala patungo sa receiver at bumabalik sa power supply sa pamamagitan ng koneksyon sa lupa. Kung maraming signal ang ipinadala, ang circuit ay mangangailangan ng isang konduktor para sa bawat signal kasama ang isang nakabahaging koneksyon sa lupa; kaya, halimbawa, 16 na signal ang maaaring maipadala gamit ang 17 konduktor.

 

Single-ended topology

Differential Signaling

Ang differential signaling, na hindi gaanong karaniwan kaysa sa single-ended signaling, ay gumagamit ng dalawang pantulong na signal ng boltahe upang magpadala ng isang signal ng impormasyon. Kaya ang isang signal ng impormasyon ay nangangailangan ng isang pares ng mga conductor; ang isa ay nagdadala ng signal at ang isa naman ay nagdadala ng baligtad na signal.

 

Single-ended vs. differential: Generic na timing diagram

 

Kinukuha ng receiver ang impormasyon sa pamamagitan ng pagtukoy sa potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng baligtad at hindi baligtad na mga signal. Ang dalawang signal ng boltahe ay "balanse," ibig sabihin ay mayroon silang pantay na amplitude at kabaligtaran ng polarity na nauugnay sa isang common-mode na boltahe. Ang mga pabalik na alon na nauugnay sa mga boltahe na ito ay balanse din at sa gayon ay kanselahin ang bawat isa; para sa kadahilanang ito, maaari nating sabihin na ang mga signal ng kaugalian ay may (perpektong) zero na kasalukuyang dumadaloy sa koneksyon sa lupa.

Sa differential signaling, ang nagpadala at tagatanggap ay hindi kinakailangang magbahagi ng isang karaniwang batayan na sanggunian. Gayunpaman, ang paggamit ng differential signaling ay hindi nangangahulugan na ang mga pagkakaiba sa ground potential sa pagitan ng nagpadala at receiver ay walang epekto sa pagpapatakbo ng circuit.

Kung maraming signal ang ipinadala, dalawang conductor ang kailangan para sa bawat signal, at kadalasang kinakailangan o kahit man lang ay kapaki-pakinabang na magsama ng koneksyon sa lupa, kahit na ang lahat ng signal ay differential. Kaya, halimbawa, ang pagpapadala ng 16 na signal ay mangangailangan ng 33 conductor (kumpara sa 17 para sa single-ended transmission). Nagpapakita ito ng malinaw na kawalan ng differential signaling.

 

Differential signaling topology

Mga Benepisyo ng Differential Signaling

Gayunpaman, may mga mahahalagang benepisyo ng differential signaling na higit pa sa pagtumbas sa tumaas na bilang ng conductor.

Walang Return Current

Dahil wala kaming (ideal) na bumalik sa kasalukuyang, ang ground reference ay nagiging hindi gaanong mahalaga. Ang potensyal sa lupa ay maaaring maging iba sa nagpadala at tumanggap o gumagalaw sa loob ng isang partikular na katanggap-tanggap na saklaw. Gayunpaman, kailangan mong mag-ingat dahil ang DC-coupled differential signaling (gaya ng USB, RS-485, CAN) ay karaniwang nangangailangan ng shared ground potential upang matiyak na ang mga signal ay mananatili sa loob ng maximum at minimum na pinapayagang common-mode na boltahe ng interface.

Paglaban sa Papasok na EMI at Crosstalk

Kung ang EMI (electromagnetic interference) o crosstalk (ibig sabihin, EMI na nabuo ng mga kalapit na signal) ay ipinakilala mula sa labas ng mga differential conductor, ito ay idinaragdag nang pantay sa baligtad at hindi baligtad na signal. Tumutugon ang receiver sa pagkakaiba ng boltahe sa pagitan ng dalawang signal at hindi sa single-ended (ibig sabihin, ground-referenced) na boltahe, at sa gayon ang circuitry ng receiver ay lubos na magbabawas sa amplitude ng interference o crosstalk.

Ito ang dahilan kung bakit ang mga differential signal ay hindi gaanong sensitibo sa EMI, crosstalk, o anumang iba pang ingay na nagsasama sa parehong mga signal ng differential pares.

Pagbawas ng Papalabas na EMI at Crosstalk

Ang mga mabilis na transition, gaya ng pagtaas at pagbaba ng mga digital na signal, ay maaaring makabuo ng malalaking halaga ng EMI. Ang parehong single-ended at differential signal ay bumubuo ng EMI, ngunit ang dalawang signal sa isang differential pares ay lilikha ng mga electromagnetic field na (ideal) na magkapareho sa magnitude ngunit kabaligtaran sa polarity. Ito, kasabay ng mga diskarteng nagpapanatili ng malapit sa pagitan ng dalawang konduktor (tulad ng paggamit ng twisted-pair na cable), ay tinitiyak na ang mga emisyon mula sa dalawang konduktor ay higit na makakakansela sa isa't isa.

Pagpapatakbo ng Lower-Voltage

Ang mga single-ended na signal ay dapat magpanatili ng medyo mataas na boltahe upang matiyak ang sapat na signal-to-noise ratio (SNR). Ang mga karaniwang single-ended na boltahe ng interface ay 3.3 V at 5 V. Dahil sa kanilang pinabuting pagtutol sa ingay, ang mga differential signal ay maaaring gumamit ng mas mababang mga boltahe at mapanatili pa rin ang sapat na SNR. Gayundin, ang SNR ng differential signaling ay awtomatikong nadaragdagan ng isang factor ng dalawang kamag-anak sa isang katumbas na single-ended na pagpapatupad, dahil ang dynamic na hanay sa differential receiver ay dalawang beses na mas mataas kaysa sa dynamic na hanay ng bawat signal sa loob ng differential pares.

Ang kakayahang matagumpay na maglipat ng data gamit ang mas mababang mga boltahe ng signal ay may ilang mahahalagang benepisyo:

• Maaaring gamitin ang mas mababang mga boltahe ng supply.
• Mas maliit na mga transition ng boltahe
  • bawasan ang radiated EMI,
  • bawasan ang pagkonsumo ng kuryente, at
  • payagan ang mas mataas na operating frequency.

Mataas o Mababang Estado at Tumpak na Timing

Naisip mo na ba kung paano tayo eksaktong nagpapasya kung ang isang signal ay nasa mataas na lohika o mababang estado ng lohika? Sa mga single-ended system, kailangan nating isaalang-alang ang boltahe ng supply ng kuryente, ang mga katangian ng threshold ng circuitry ng receiver, marahil ang halaga ng boltahe ng sanggunian. At siyempre may mga pagkakaiba-iba at pagpapaubaya, na nagdudulot ng karagdagang kawalan ng katiyakan sa tanong na may mataas na lohika o mababang lohika.

Sa mga differential signal, ang pagtukoy sa estado ng lohika ay mas tapat. Kung ang boltahe ng non-inverted signal ay mas mataas kaysa sa boltahe ng inverted signal, mayroon kang mataas na logic. Kung ang hindi baligtad na boltahe ay mas mababa kaysa sa baligtad na boltahe, mayroon kang mababang lohika. At ang transisyon sa pagitan ng dalawang estado ay ang punto kung saan ang hindi baligtad at baligtad na mga signal ay nagsalubong—ibig sabihin, ang crossover point.

Ito ay isang dahilan kung bakit mahalagang itugma ang mga haba ng mga wire o mga bakas na nagdadala ng mga differential signal: Para sa maximum na katumpakan ng timing, gusto mong ang crossover point ay eksaktong tumutugma sa logic transition, ngunit kapag ang dalawang conductor sa pares ay hindi pantay. haba, ang pagkakaiba sa pagkaantala ng pagpapalaganap ay magiging sanhi ng paglipat ng crossover point.

aplikasyon

Sa kasalukuyan ay maraming mga pamantayan ng interface na gumagamit ng mga differential signal. Kabilang dito ang mga sumusunod:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)
• CML (Kasalukuyang Mode Logic)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Mataas na kalidad na balanseng audio

Maliwanag, ang teoretikal na mga bentahe ng differential signaling ay nakumpirma ng praktikal na paggamit sa hindi mabilang na mga real-world na aplikasyon.

Pangunahing Mga Teknik sa PCB para sa Pagruruta ng Mga Differential Trace

Sa wakas, alamin natin ang mga pangunahing kaalaman sa kung paano niruruta ang mga differential trace sa mga PCB. Maaaring medyo kumplikado ang pagruruta ng mga differential signal, ngunit may ilang pangunahing panuntunan na ginagawang mas diretso ang proseso.

Pagtutugma ng Haba at Haba – Panatilihin itong Pantay!

Ang mga differential signal ay (ideal) pantay sa magnitude at kabaligtaran sa polarity. Kaya, sa perpektong kaso, walang net return current ang dadaloy sa lupa. Ang kawalan ng return current ay isang magandang bagay, kaya gusto naming panatilihing perpekto ang lahat hangga't maaari, at nangangahulugan iyon na kailangan namin ng pantay na haba para sa dalawang bakas sa isang pares ng kaugalian.

Kung mas mataas ang oras ng pagtaas/pagbagsak ng iyong signal (hindi dapat malito sa dalas ng signal), mas kailangan mong tiyakin na ang mga bakas ay may magkaparehong haba. Ang iyong layout program ay maaaring may kasamang feature na makakatulong sa iyong i-fine-tune ang haba ng mga bakas para sa differential pairs. Kung nahihirapan kang makamit ang pantay na haba, maaari mong gamitin ang "meander" technique.

 

Isang halimbawa ng isang liku-likong bakas

Lapad at Spacing – Panatilihin itong Constant!

Kung mas malapit ang mga konduktor ng kaugalian, magiging mas mahusay ang pagkabit ng mga signal. Ang nabuong EMI ay makakakansela nang mas epektibo, at ang natanggap na EMI ay magsasama-sama nang mas pantay sa parehong mga signal. Kaya subukang paglapitin sila.

Dapat mong iruta ang mga konduktor ng pares ng pagkakaiba-iba hangga't maaari sa mga kalapit na signal, upang maiwasan ang pagkagambala. Ang lapad ng at espasyo sa pagitan ng iyong mga bakas ay dapat piliin ayon sa target na impedance at dapat manatiling pare-pareho sa buong haba ng mga bakas. Kaya't kung maaari, ang mga bakas ay dapat manatiling parallel habang sila ay naglalakbay sa paligid ng PCB.

Impedance – Bawasan ang mga Pagkakaiba-iba!

Isa sa mga pinakamahalagang bagay na dapat gawin kapag nagdidisenyo ng isang PCB na may mga differential signal ay upang malaman ang target na impedance para sa iyong aplikasyon at pagkatapos ay ilatag ang iyong mga pares ng kaugalian nang naaayon. Gayundin, panatilihing maliit hangga't maaari ang mga pagkakaiba-iba ng impedance.

Ang impedance ng iyong differential line ay nakasalalay sa mga kadahilanan tulad ng lapad ng bakas, ang pagkakabit ng mga bakas, ang kapal ng tanso, at ang materyal at layer ng PCB na stack-up. Isaalang-alang ang bawat isa sa mga ito habang sinusubukan mong iwasan ang anumang bagay na nagbabago sa impedance ng iyong differential pair.

Huwag iruta ang mga high-speed signal sa isang puwang sa pagitan ng mga lugar na tanso sa isang layer ng eroplano, dahil nakakaapekto rin ito sa iyong impedance. Subukang iwasan ang mga discontinuities sa ground planes.

Mga Rekomendasyon sa Layout – Basahin, Suriin, at I-overthink ang mga Ito!

At, huli ngunit hindi bababa sa, may isang napakahalagang bagay na kailangan mong gawin kapag nagruruta ng mga differential traces: Kunin ang datasheet at/o mga tala ng application para sa chip na nagpapadala o tumatanggap ng differential signal, basahin ang mga rekomendasyon sa layout, at suriin sila ng malapitan. Sa ganitong paraan maaari mong ipatupad ang pinakamahusay na posibleng layout sa loob ng mga hadlang ng isang partikular na disenyo.

Konklusyon

Nagbibigay-daan sa amin ang differential signaling na magpadala ng impormasyon na may mas mababang boltahe, magandang SNR, pinahusay na kaligtasan sa ingay, at mas mataas na rate ng data. Sa kabilang banda, tumataas ang bilang ng konduktor, at ang system ay mangangailangan ng mga dalubhasang transmitter at receiver sa halip na mga karaniwang digital IC.

Sa ngayon, ang mga differential signal ay bahagi ng maraming pamantayan, kabilang ang LVDS, USB, CAN, RS-485, at Ethernet, at sa gayon dapat tayong lahat (sa pinakakaunti) pamilyar sa teknolohiyang ito. Kung talagang nagdidisenyo ka ng PCB na may mga differential signal, tandaan na kumunsulta sa mga nauugnay na datasheet at tala ng app, at kung kinakailangan basahin muli ang artikulong ito!

Mag-iwan ng mensahe 

Listahan ng Mensahe