Die basiese beginsels: enkel-einde en differensiële sein

Eerstens moet ons 'n paar basiese beginsels leer oor wat enkel-einde sein is voordat ons oor differensiële sein en sy kenmerke kan gaan.

Enkel-einde sein

Enkel-einde sein is 'n eenvoudige en algemene manier om 'n elektriese sein van 'n sender na 'n ontvanger oor te dra. Die elektriese sein word oorgedra deur 'n spanning (dikwels 'n wisselende spanning), wat na 'n vaste potensiaal verwys word, gewoonlik 'n 0 V-knooppunt waarna verwys word as "grond".

Een geleier dra die sein en een geleier dra die gemeenskaplike verwysingspotensiaal. Die stroom wat met die sein geassosieer word, beweeg van sender na ontvanger en keer terug na die kragtoevoer deur die grondverbinding. Indien veelvuldige seine oorgedra word, sal die stroombaan een geleier vir elke sein plus een gedeelde grondverbinding benodig; dus kan 16 seine byvoorbeeld deur 17 geleiers oorgedra word.

 

Enkel-einde topologie

Differensiële sein

Differensiële sein, wat minder algemeen is as enkelpuntsein, gebruik twee komplementêre spanningseine om een ​​inligtingsein oor te dra. Een inligtingsein vereis dus 'n paar geleiers; een dra die sein en die ander dra die omgekeerde sein.

 

Enkeleinde vs. differensiaal: Generiese tydsberekeningdiagram

 

Die ontvanger onttrek inligting deur die potensiaalverskil tussen die omgekeerde en nie-omgekeerde seine op te spoor. Die twee spanningseine is "gebalanseerd", wat beteken dat hulle gelyke amplitude en teenoorgestelde polariteit het relatief tot 'n gemeenskaplike-modus spanning. Die terugkeerstrome wat met hierdie spannings geassosieer word, is ook gebalanseer en kanselleer mekaar dus uit; om hierdie rede kan ons sê dat differensiële seine (ideaal gesproke) geen stroom het wat deur die grondverbinding vloei.

Met differensiële sein, deel die sender en ontvanger nie noodwendig 'n gemeenskaplike grondverwysing nie. Die gebruik van differensiële sein beteken egter nie dat verskille in grondpotensiaal tussen sender en ontvanger geen effek op die werking van die stroombaan het nie.

As veelvuldige seine oorgedra word, is twee geleiers vir elke sein nodig, en dit is dikwels nodig of ten minste voordelig om 'n grondverbinding in te sluit, selfs wanneer al die seine differensieel is. So, byvoorbeeld, sou die uitsending van 16 seine 33 geleiers vereis (in vergelyking met 17 vir enkel-einde transmissie). Dit demonstreer 'n duidelike nadeel van differensiële sein.

 

Differensiële seintopologie

Voordele van differensiële sein

Daar is egter belangrike voordele van differensiële sein wat meer as kan vergoed vir die verhoogde geleiertelling.

Geen terugkeerstroom nie

Aangesien ons (ideaal gesproke) geen terugkeerstroom het nie, word die grondverwysing minder belangrik. Die grondpotensiaal kan selfs by die sender en ontvanger verskil of binne 'n sekere aanvaarbare omvang rondbeweeg. Jy moet egter versigtig wees, want GS-gekoppelde differensiële sein (soos USB, RS-485, CAN) vereis oor die algemeen 'n gedeelde grondpotensiaal om te verseker dat die seine binne die koppelvlak se maksimum en minimum toelaatbare gemeenskaplike-modus spanning bly.

Weerstand teen inkomende EMI en Crosstalk

As EMI (elektromagnetiese interferensie) of oorspraak (dws EMI wat deur nabygeleë seine gegenereer word) van buite die differensiële geleiers ingevoer word, word dit gelykop by die omgekeerde en nie-omgekeerde sein gevoeg. Die ontvanger reageer op die verskil in spanning tussen die twee seine en nie op die enkel-einde (dws grondverwysde) spanning nie, en dus sal die ontvangerkringe die amplitude van die interferensie of oorspraak aansienlik verminder.

Dit is hoekom differensiële seine minder sensitief is vir EMI, oorspraak of enige ander geraas wat in beide seine van die differensiële paar koppel.

Vermindering van uitgaande EMI en Crosstalk

Vinnige oorgange, soos die stygende en dalende rande van digitale seine, kan aansienlike hoeveelhede EMI genereer. Beide enkel-einde en differensiële seine genereer EMI, maar die twee seine in 'n differensiële paar sal elektromagnetiese velde skep wat (ideaal gesproke) gelyk in grootte maar teenoorgestelde in polariteit is. Dit, in samewerking met tegnieke wat die nabyheid tussen die twee geleiers handhaaf (soos die gebruik van gedraaide-paar kabel), verseker dat die emissies van die twee geleiers mekaar grootliks sal uitkanselleer.

Laer-spanning werking

Enkel-einde seine moet 'n relatief hoë spanning handhaaf om voldoende sein-tot-geraas-verhouding (SNR) te verseker. Algemene enkelpunt-koppelvlakspannings is 3.3 V en 5 V. As gevolg van hul verbeterde weerstand teen geraas, kan differensiële seine laer spannings gebruik en steeds voldoende SNR handhaaf. Ook, die SNR van differensiële sein word outomaties verhoog met 'n faktor van twee relatief tot 'n ekwivalente enkel-einde implementering, omdat die dinamiese reeks by die differensiële ontvanger is twee keer so hoog as die dinamiese reeks van elke sein binne die differensiële paar.

Die vermoë om data suksesvol oor te dra met behulp van laer seinspannings kom met 'n paar belangrike voordele:

• Laer toevoerspannings kan gebruik word.
• Kleiner spanningsoorgange
  • verminder uitgestraalde EMI,
  • verminder kragverbruik, en
  • maak voorsiening vir hoër bedryfsfrekwensies.

Hoë of lae toestand en presiese tydsberekening

Het jy al ooit gewonder hoe presies ons besluit of 'n sein in 'n logies-hoog of logies-laag toestand is? In enkelpuntstelsels moet ons die kragtoevoerspanning, die drempelkenmerke van die ontvangerkringe, miskien die waarde van 'n verwysingsspanning oorweeg. En natuurlik is daar variasies en toleransies, wat bykomende onsekerheid in die logika-hoog- of-logika-laag vraag bring.

In differensiële seine is die bepaling van die logiese toestand meer eenvoudig. As die nie-omgekeerde sein se spanning hoër is as die omgekeerde sein se spanning, het jy logika hoog. As die nie-omgekeerde spanning laer is as die omgekeerde spanning, het jy logika laag. En die oorgang tussen die twee toestande is die punt waarop die nie-omgekeerde en omgekeerde seine mekaar sny—dws die oorkruispunt.

Dit is een rede waarom dit belangrik is om die lengtes van drade of spore wat differensiële seine dra te pas: Vir maksimum tydsberekening akkuraatheid, wil jy hê die oorkruispunt moet presies ooreenstem met die logiese oorgang, maar wanneer die twee geleiers in die paar nie gelyk is nie lengte, sal die verskil in voortplantingsvertraging veroorsaak dat die oorkruispunt verskuif.

aansoeke

Daar is tans baie koppelvlakstandaarde wat differensiële seine gebruik. Dit sluit die volgende in:

• LVDS (Laespanning differensiële sein)
• CML (huidige modus logika)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• KAN
• USB
• Gebalanseerde klank van hoë gehalte

Dit is duidelik dat die teoretiese voordele van differensiële sein bevestig is deur praktiese gebruik in ontelbare werklike toepassings.

Basiese PCB-tegnieke vir die roetering van differensiële spore

Laastens, kom ons leer die basiese beginsels van hoe differensiële spore op PCB's gelei word. Roetering van differensiële seine kan 'n bietjie kompleks wees, maar daar is 'n paar basiese reëls wat die proses meer eenvoudig maak.

Lengte en lengte wat ooreenstem – hou dit gelyk!

Differensiële seine is (ideaal gesproke) gelyk in grootte en teenoorgestelde in polariteit. Dus, in die ideale geval sal geen netto terugkeerstroom deur grond vloei nie. Hierdie afwesigheid van terugkeerstroom is 'n goeie ding, so ons wil alles so ideaal as moontlik hou, en dit beteken dat ons gelyke lengtes nodig het vir die twee spore in 'n differensiële paar.

Hoe hoër die styg-/valtyd van jou sein is (nie te verwar met die frekwensie van die sein nie), hoe meer moet jy verseker dat die spore identiese lengte het. Jou uitlegprogram kan dalk 'n kenmerk insluit wat jou help om die lengte van spore vir differensiële pare fyn in te stel. As jy sukkel om gelyke lengte te bereik, kan jy die "meander"-tegniek gebruik.

 

'n Voorbeeld van 'n kronkelende spoor

Breedte en spasiëring – hou dit konstant!

Hoe nader die differensiële geleiers is, hoe beter sal die koppeling van die seine wees. Gegenereerde EMI sal meer effektief kanselleer, en ontvang EMI sal meer gelyk in beide seine koppel. Probeer hulle dus baie naby aan mekaar bring.

Jy moet die differensiaal-paar geleiers so ver weg van naburige seine as moontlik lei om interferensie te vermy. Die breedte van en spasie tussen jou spore moet gekies word volgens die teikenimpedansie en moet konstant bly oor die hele lengte van die spore. Dus, indien moontlik, moet die spore parallel bly terwyl hulle om die PCB beweeg.

Impedansie – Minimaliseer variasies!

Een van die belangrikste dinge om te doen wanneer 'n PCB met differensiële seine ontwerp word, is om die teikenimpedansie vir jou toepassing uit te vind en dan jou differensiële pare daarvolgens uit te lê. Hou ook impedansievariasies so klein as moontlik.

Die impedansie van jou differensiële lyn hang af van faktore soos die breedte van die spoor, die koppeling van die spore, die koper se dikte, en die PCB se materiaal en laag stapeling. Oorweeg elkeen van hierdie as jy probeer om enigiets te vermy wat die impedansie van jou differensiële paar verander.

Moenie hoëspoedseine oor 'n gaping tussen koperareas op 'n vlakke laag stuur nie, want dit beïnvloed ook jou impedansie. Probeer om diskontinuïteite in grondvlakke te vermy.

Uitlegaanbevelings – Lees, ontleed en dink daaroor na!

En laaste maar nie die minste nie, daar is een baie belangrike ding wat jy moet doen wanneer jy differensiële spore stuur: Kry die datablad en/of toepassingnotas vir die skyfie wat die differensiële sein stuur of ontvang, lees deur die uitlegaanbevelings en ontleed hulle naby. Op hierdie manier kan jy die beste moontlike uitleg implementeer binne die beperkings van 'n spesifieke ontwerp.

Gevolgtrekking

Differensiële sein stel ons in staat om inligting met laer spannings, goeie SNR, verbeterde immuniteit teen geraas en hoër datatempo's oor te dra. Aan die ander kant neem die geleiertelling toe, en die stelsel sal gespesialiseerde senders en ontvangers in plaas van standaard digitale IC's benodig.

Deesdae is differensiële seine deel van baie standaarde, insluitend LVDS, USB, CAN, RS-485 en Ethernet, en daarom behoort ons almal (ten minste) vertroud te wees met hierdie tegnologie. As jy eintlik 'n PCB met differensiële seine ontwerp, onthou om relevante datablaaie en toepassingnotas te raadpleeg, en lees hierdie artikel weer, indien nodig!

Los 'n boodskap 

boodskap Lys