Что такое дифференциальный сигнал

SamsPcbGuide, часть 7: Трассировка сигнальных линий. Дифференциальные пары

Это седьмая статья из цикла и заключительная в блоке, посвящённом трассировке сигнальных линий. Дальше есть идея развивать проект и выходить на руководство по проектированию печатных плат в виде удобной книги, поэтому по публикациям, возможно. будет пауза. В статье рассматривается важная тема — дифференциальная схема передачи данных, получающая всё большее распространение в современных системах, и предлагаются рекомендации по трассировке дифференциальных пар, позволяющей обеспечить преимущества этой схемы.

В предыдущей было показано, что перекрёстная связь между независимыми сигнальными линиями является источником нежелательных помех. Однако в случае дифференциальной схемы передачи сильная перекрёстная связь, напротив, делает сигнал более устойчивым к помехам. При такой схеме используются две линии (дифференциальная пара), источники сигнала которых находятся в противофазе, а приёмник реагирует на разницу напряжений на линиях V_DIFF= V₊-V_– (рис. 1). Синфазный сигнал (англ. common signal) определяется как V_COMM=1/2∙(V₊+ V_–) и может быть ненулевым, например, как в распространённом стандарте LVDS. Дифференциальная пара характеризуется двумя сопротивлениями:

Вводная теория дифференциальной передачи сигналов описывается во многих источниках, например, в [1]. С точки зрения проектирования печатных плат важно остановиться на преимуществах дифференциальной схемы относительно ассиметричной (англ. single-ended) и на требованиях к топологии дифференциальных пар, эти преимущества обеспечивающие.

Прежде всего, идеальная дифференциальная пара симметрична, то есть на протяжении всей длины её сечение должно быть неизменным и обладать осью симметрии (рис. 2). Это, так же, как и в случае ассиметричной линии передачи, обеспечивает постоянство волнового сопротивления дифференциальной пары, что значительно снижает отражения в линии и искажения сигнала.

Сечение дифференциальной пары должно быть максимально (в идеале – зеркально) симметрично и однородно на всём её протяжении. Между линиями пары не должно быть элементов топологии других сигнальных цепей.

Каждой линии дифференциальной пары соответствует своё распределение возвратного тока в опорном слое. Если взаимная связь между линиями пары значительно меньше, чем их связь с опорным слоем, то распределения возвратных токов не пересекаются (рис. 3-А). Такая дифференциальная пара называется дифференциальной парой со слабой взаимной связью (англ. loosly coupled differential line, weak coupling). Так как распределение высокочастотных составляющих сигнала сконцентрировано в опорном слое в области ±3∙h, то практическим критерием для слабой связи является условие, что расстояние между краями печатных дорожек s>6∙h или s>3∙w. Так как дифференциальный импеданс пары со слабой связью практически не зависит от расстояния между дорожками Z_DIFF≈2∙Z₀, то это расстояние может меняться вдоль длины линии – например, при наличии препятствия на пути дифференциальной пары. Это упрощает требования к топологии дифференциальной пары, однако такие линии лишены основных преимуществ дифференциальной передачи данных.

Уменьшения расстояния между линиями до s≤2∙h приводит к значительному увеличению взаимной связи и перекрытию распределений возвратных токов в опорном слое (рис. 3-Б). Такая дифференциальная пара называется дифференциальной парой с сильной взаимной связью (англ. tightly coupled differential line). Дифференциальный импеданс становится в большей степени зависимым от расстояния между дорожками. Его значение снижается, поэтому для сохранения прежнего значения требуются более узкие дорожки, что несколько повышает омические потери. Однако именно такая топология дифференциальной пары обеспечивает следующие преимущества относительно ассиметричной линии:

Распространённой практикой выравнивания длин линий (англ. length matching, tuning) является увеличение длины более короткой линий за счёт дополнительных изгибов, которые могут образовывать регулярную структуру (рис. 5). Очевидно, что при этом неизбежно изменяется расстояние между линиями пары. Это в свою очередь приводит к локальному изменению импеданса пары и возникновению отражений. Д. Брукс в одной из статей высказывает мнение, что задача выравнивания длин линий пары имеет бóльшую важность с точки зрения целостности сигналов и ЭМС. А выбор геометрии изгибов не имеет критического значения, с той лишь оговоркой, что длинные и узкие изгибы не рекомендуются, так как могут приводить к искажениям за счёт сильной взаимной связи участков. Однако этот тезис не является универсальным правилом. Дело в том, что существуют и более продвинутая методика выравнивания длин линий, которая заключается в одновременном сохранении импеданса пары в местах изгибов (за счёт изменений ширины линий, применения локальных вырезов в опорном слое и т.п.). Однако построение такой геометрии выравнивания является достаточно сложной задачей, требующей применения специализированных САПР, и оправдана только для гигагерцовых сигнальных линий. Другой вариант – это локальное увеличение расстояния между линиями пары и выравнивание за счёт изгибов на одной из линий. Иными словами, осуществление локального перехода к дифференциальной паре со слабой связью, для которой импеданс не так сильно зависит от расстояния между линиями (что наблюдается в местах изгибов). Примеры и более подробная информация по этим методикам может быть найдена в материалах, представленных на сайте Simberian, Inc.

Критерий достаточной степени равенства длин линий приводится в [1]: «Длины линий дифференциальной пары должны быть выровнены между собой с точностью ∆L

Источник

Дифференциальный сигнал

Из Википедии — свободной энциклопедии

Дифференциальный сигнал — способ электрической передачи информации с помощью двух противофазных сигналов. В данном методе один электрический сигнал передаётся в виде дифференциальной пары сигналов, каждый по своему проводнику, но один представляет инвертированный сигнал другого, противоположный по знаку. Пара проводников может представлять собой витую пару, твинаксиальный кабель или разводиться по печатной плате. Приёмник дифференциального сигнала реагирует на разницу между двумя сигналами, а не на различие между одним проводом и потенциалом земли (такой принцип используется в другом методе передачи — называется асимметричная сигнализация).

Дифференциальный сигнал подобен балансному (симметричному) сигналу, предоставляя похожие преимущества качественной высокочастотной связи, защищённой от синфазных помех. Высокочастотные свойства балансного подключения отчасти связаны с тем, что оно лучше описывается как длинная волноводная линия, потери в которой в основном определяются диэлектриком. В то же время при однопроводном (небалансном) подключении потери определяются только сопротивлением металла и быстро растут с частотой вследствие скин-эффекта.

Практическое удобство дифференциальный сигнал предоставляет для сигнального соединения в пределах печатной платы между микросхемами, выполненными по подобной технологии. Однако вследствие реализации его на однополярных выходных каскадах микросхем, содержит постоянную составляющую. Выходной дифференциальный порт, как правило, нельзя напрямую подключать к симметричным линиям передачи или антеннам без специального согласования. В случаях, когда размеры и стоимость платы допускают, такое согласование и одновременная балансировка без труда достигаются с использованием схем на согласующих трансформаторах и балунах.

Дифференциальные пары обычно находят применение для высокоскоростных каналов передачи данных на печатных платах, в витой паре (в том числе экранированной [1] ), в ленточных кабелях и разъёмах. Высокоскоростные дифференциальные пары часто подключают к СФ-блокам SerDes (Сериализатор/Десериализатор).

Источник

Зачем и как использовать дифференциальную передачу сигналов

Рассмотрим важные характеристики, преимущества и применения дифференциальной передачи сигналов, а также правильные методы разводки дифференциальных сигналов.

Основы: несимметричная и дифференциальная передачи сигналов

Во-первых, нам нужно изучить некоторые основы того, что означает несимметричная передача сигналов, прежде чем мы сможем перейти к дифференциальной передаче сигналов и ее характеристикам.

Несимметричная передача сигналов

Несимметричная передача сигналов – это простой и распространенный способ передачи электрического сигнала от отправителя к приемнику. Электрический сигнал передается с помощью напряжения (часто с помощью изменяющегося напряжения), которое измеряется относительно фиксированного потенциала, обычно узел 0 В, называемый «землей».

Один проводник переносит сигнал, и один проводник переносит общий опорный потенциал. Ток, связанный с сигналом, поступает от отправителя к приемнику и возвращается к источнику питания через соединение земли. Если передается несколько сигналов, схема потребует по одному проводнику для каждого сигнала плюс одно общее соединение земли; таким образом, например, 16 сигналов могут быть переданы с помощью 17 проводников.

Топология несимметричной передачи сигналов

Дифференциальная передача сигналов

Дифференциальная передача сигналов, являющаяся менее распространенной по сравнению с несимметричной передачей, использует два двухтактных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Таким образом, один информационный сигнал требует пары проводников; первый переносит сигнал, а второй переносит инвертированный сигнал.

Обобщенные временные диаграммы несимметричной передачи сигналов и дифференциальной передачи сигналов

Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированным и неинвертированным сигналами. Два сигнала напряжения «симметричны», что означает, что они имеют равную амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине можно сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток через соединение земли.

При дифференциальной передаче сигналов отправитель и получатель необязательно должны иметь общую опорную точку земли. Однако использование дифференциальной передачи не означает, что различия потенциалов земли у отправителя и получателя не влияют на работу схемы.

Если передается несколько сигналов, то для каждого сигнала требуется два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить соединение земли, даже если все сигналы являются дифференциальными. Так, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (для несимметричной передачи было необходимо 17). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной передачи сигналов.

Топология дифференциальной передачи сигналов

Преимущества дифференциальной передачи сигналов

Однако существуют важные преимущества дифференциальной передачи сигналов, которые могут более чем компенсировать увеличение количества проводников.

Нет обратного тока

Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, опорная земля становится менее важной. Потенциалы земли у отправителя и получателя могут даже различаться или изменяться в пределах допустимого диапазона. Тем не менее, вы должны быть осторожны, потому что дифференциальная передача сигналов со связью по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требует общего потенциала земли, чтобы сигналы оставались в пределах максимально и минимально допустимого синфазного напряжения.

Устойчивость к внешним электромагнитным помехам и перекрестным помехам

Если электромагнитные помехи (ЭМП) или перекрестные помехи (т.е. электромагнитные помехи, создаваемые соседними сигналами) вводятся извне относительно дифференциальных проводников, то они равномерно добавляются к инвертированному и неинвертированному сигналам. Приемник реагирует на разность напряжений между двумя сигналами, а не на несимметричное (т.е. относительно земли) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно уменьшит амплитуду внешних и перекрестных помех.

Вот почему дифференциальная передача сигналов менее чувствительна к внешним электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любым другим шумам, которые добавляются к обоим сигналам дифференциальной пары.

Уменьшение исходящих электромагнитных помех и перекрестных помех

Быстрые переходы, такие как нарастающий и спадающий фронты цифровых сигналов, могут генерировать значительные количества электромагнитных помех. И несимметричная передача сигналов, и дифференциальная передача сигналов генерируют электромагнитные помехи, но два сигнала в дифференциальной паре будут создавать электромагнитные поля, которые (в идеале) равны по амплитуде, но противоположны по полярности. Это в сочетании с технологиями, которые сохраняют маленькое расстояние между этими двумя проводниками (например, использование кабеля с витой парой), гарантирует, что излучения от этих двух проводников будут в значительной степени компенсировать друг друга.

Работа с низким напряжением

Несимметричные сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение для обеспечения достаточного отношения сигнал/шум (С/Ш, SNR). Наиболее распространенными напряжениями несимметричных интерфейсов являются 3,3 В и 5 В. Благодаря своей повышенной устойчивости к шуму дифференциальные сигналы могут использовать более низкие напряжения, поддерживая соответствующее отношение сигнал/шум. Кроме того, отношение сигнал/шум автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной несимметричной реализацией, поскольку динамический диапазон в дифференциальном приемнике в два раза выше динамического диапазона каждого сигнала в дифференциальной паре.

Возможность успешно передавать данные с использованием более низких напряжений сигналов имеет несколько важных преимуществ:

Высокое или низкое логическое состояние и точная синхронизация

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как именно мы решаем, находится ли сигнал в состоянии высокого или низкого логического уровня? В несимметричных системах мы должны учитывать напряжение питания, пороговые характеристики схемы приемника и, возможно, значение опорного напряжения. И, конечно же, существуют вариации и допуски, которые вызывают дополнительную неопределенность в вопросе о высоком или низком логическом уровне.

В дифференциальных сигналах определение логического состояния является более простым. Если напряжение неинвертированного сигнала выше напряжения инвертированного сигнала, то у вас высокий логический уровень. Если неинвертированное напряжение ниже инвертированного напряжения, то у вас низкий логический уровень. Переход между этими двумя состояниями – это точка, в которой пересекаются неинвертированный и инвертированный сигналы, т.е. точка пересечения.

Это одна из причин, из-за которой важно согласовывать длины проводов или трасс, передающих дифференциальные сигналы. Для максимальной точности синхронизации необходимо, чтобы точка пересечения точно соответствовала логическому переходу; но когда два проводника в паре не равны по длине, разница в задержке распространения приведет к смещению точки пересечения.

Применения

В настоящее время существует множество стандартов интерфейсов, в которых используются дифференциальные сигналы. К ним относятся следующие:

Основные технологии разводки дифференциальных проводников на печатных платах

Наконец, давайте рассмотрим основы того, как дифференциальные проводники разводятся на печатных платах. Разводка дифференциальных сигналов может быть немного сложной, но есть некоторые основные правила, которые делают процесс более простым.

Длина и согласование длин – сохраняйте их равными!

Дифференциальные сигналы (в идеале) равны по амплитуде и противоположны по полярности. Таким образом, в идеальном случае через землю не будет протекать никакой обратный ток. Это отсутствие обратного тока – хорошо, поэтому мы хотим сохранить всё как можно более идеальным, и это означает, что нам нужны одинаковые длины двух проводников в дифференциальной паре.

Чем выше время нарастания/спада вашего сигнала (не путать с частотой сигнала), тем больше вы должны следить за тем, чтобы проводники имели одинаковую длину. Ваша программа разводки печатных плат может включать в себя функцию, которая поможет вам точно отрегулировать длину проводников для дифференциальных пар. Если вам трудно достичь равной длины, то можете использовать технику «серпантина».

Пример серпантина проводников

Ширина и интервал между проводниками – сохраняйте их постоянными!

Чем ближе дифференциальные проводники друг к другу, тем лучше будет связность сигналов. Сгенерированные электромагнитные помехи будут более эффективно компенсироваться, а принимаемые электромагнитные помехи будут более равномерно накладываться на оба сигнала. Поэтому старайтесь разводить проводники ближе друг к другу.

Вы должны разводить проводники дифференциальной пары как можно дальше от соседних сигналов, чтобы избежать помех. Ширина и расстояние между вашими проводниками должны выбираться в соответствии с целевым импедансом и должны оставаться постоянными по всей длине проводников. Поэтому, если это возможно, эти проводники должны оставаться параллельными, пока они проходят по печатной плате.

Импеданс – сведите изменения к минимуму!

Одной из наиболее важных вещей, которые необходимо сделать при проектировании печатной платы с дифференциальными сигналами, является выяснение целевого импеданса для вашего приложения, а затем разводка в соответствии с ним ваших дифференциальных пар. Кроме того, сохраняйте изменения импеданса минимальными, насколько возможно.

Импеданс вашей дифференциальной линии зависит от таких факторов, как ширина проводника, связь между проводниками, толщина меди, материал и слои печатной платы. Рассмотрите каждый из них, чтобы избежать чего-либо, что изменит импеданс вашей дифференциальной пары.

Не разводите высокоскоростные сигналы через разрывы между медными областями на слое металлизации, так как это также влияет на импеданс. Старайтесь избегать разрывов на слоях земли.

Рекомендации к компоновке – прочитайте, проанализируйте и обдумайте их!

И последнее, но не менее важное: есть одна очень важная вещь, которую вы должны выполнить при разводке дифференциальных проводников: найдите техническое описание и/или примечания к применению микросхемы, которая отправляет или принимает дифференциальный сигнал, прочитайте рекомендации по компоновке и проанализируйте их. Таким образом, вы сможете реализовать наилучшую возможную компоновку платы в рамках ограничений конкретного проекта.

Заключение

Дифференциальная передача сигналов позволяет передавать информацию с более низкими напряжениями, хорошим отношением сигнал/шум, улучшенной помехоустойчивостью к шуму и с более высокими скоростями передачи данных. С другой стороны, увеличивается количество проводников, и система будет нуждаться в специализированных передатчиках и приемниках вместо стандартных цифровых микросхем.

В настоящее время дифференциальные сигналы являются частью многих стандартов, в том числе LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и поэтому мы должны быть знакомы с этой технологией. Если вы разрабатываете печатную плату с дифференциальными сигналами, не забудьте ознакомиться с соответствующими техническими описаниями и примечаниями к применению и, если необходимо, снова прочитать эту статью!

Источник

Необходимые условия разводки дифференциальных сигналов

Дифференциальная передача подразумевает наличие двух комплементарных сигналов с равной амплитудой и фазовым сдвигом 180°. Один из сигналов называется позитивным (прямым, неинверсным), второй — негативным (инверсным). Дифференциальная передача широко используется в электронных схемах и существенна для увеличения скорости передачи данных. Высокоскоростные тактовые сигналы компьютерных материнских плат и серверов передаются по дифференциальным линиям. Многочисленные устройства, такие как, принтеры, коммутаторы, маршрутизаторы и сигнал-процессоры используют технологию низкоуровневой дифференциальной передачи сигналов LVDS (Low Voltage Differential Signaling).

По сравнению с однопроводной для реализации дифференциальной передачи требуется большее количество передатчиков (драйверов, трансмиттеров) и приемников (ресиверов), а также удвоенное число выводов элементов и проводников. С другой стороны, использование дифференциальной передачи дает несколько привлекательных преимуществ:

При разводке дифференциальных проводников важно, чтобы обе дифференциальные трассы обладали одним и тем же импедансом, были одинаковой длины, а расстояние между их краями было постоянным.

Используя пример, рассмотрим несколько важных концепций дифференциальной разводки. На рисунке 1 показана дифференциальная шина материнской платы, проложенная между выводами специализированной микросхемы (ASIC) и разъемом для подключения дочерней платы с микросхемами памяти. Проводник прямого сигнала выделен зеленым цветом, а инверсного — красным. Каждый проводник на своем протяжении имеет два переходных отверстия и серпантиновый участок.

Рис. 1. Дифференциальная пара материнской платы

Дифференциальная разводка на этом рисунке выполнена с учетом нескольких правил:

Скругление углов и одинаковая длина дифференциальных проводников требует особой внимательности.

Кроме проводников печатной платы, в корпусе интегральной схемы располагаются шины, соединяющие каждый вывод корпуса с выводом кристалла ИС. Различная длина этих шин в некоторых случаях может вносить свои коррективы.

В качестве численного примера рассмотрим дифференциальные шины со следующими длинами сегментов:

Для прямого сигнала

Для инверсного сигнала

Некоторую часть полученной разницы можно скомпенсировать, учитывая различную длину шин внутри корпуса ИС. При этом разница суммарных длин трасс становится в пределах специфицированного допуска.

Рисунок 2 показывает, что общая длина шины должна быть продумана с точки зрения уменьшения разницы в длинах дифференциальных проводников.

Рис. 2. Сумма (L0 + L1) должна равняться сумме (L2 + L3) в пределах допускаемой погрешности

Повторяя снова, желательно сохранять постоянным расстояние между краями проводников на всем их протяжении. Исследование дифференциальной пары показывают, что поблизости от выводов разъема шины теряют параллельность друг относительно друга. Рисунок 3 иллюстрирует схему разводки с минимизацией этого недостатка при сохранении параллельности на большой длине (образующийся при этом острый угол проводника инверсного сигнала может приводить к потере его целостности с вытекающими отсюда последствиями — примечание переводчика). Такая схема может применяться в случаях, когда дифференциальные сигналы должны иметь сильную связь или при передаче высокоскоростных сигналов.

Рис. 3. Параллельная разводка проводников

Когда интервал между двумя трассами относительно велик (связь между проводником и полигоном превышает взаимосвязь между проводниками), то пара становится слабосвязанной. И, наоборот, когда две трассы расположены достаточно близко друг от друга (взаимосвязь между ними больше связи между отдельным проводником и полигоном), то это означает, что проводники пары сильно связаны. Сильная связь обычно не является необходимой для достижения начальных преимуществ дифференциальной структуры. Тем не менее, для достижения хорошей помехозащищенности сильная связь желательна для комплементарно передающихся, хорошо сбалансированных сигналов, обладающих симметричным импедансом относительно опорного напряжения.

Концепция дифференциальной разводки в этом случает предполагает компланарные пары (т.е. располагающиеся в одном слое), имеющие связь по краям проводников. Дифференциальные сигналы могут также разводиться и другим способом, при котором проводники прямого и инверсного сигналов располагаются на разных (соседних. ) слоях платы. Однако, такой способ может вызвать проблемы с постоянством импеданса. На рисунке 4 приведены оба эти варианта, а также некоторые критичные размеры, такие как ширина (W), расстояние между краями (S), толщина проводников (T) и дистанция между проводником и полигоном (H). Эти параметры, устанавливающие геометрию поперечного сечения дифференциальной пары, часто используются (наряду со свойствами материала проводников и диэлектрика подложки) для определения значений импедансов (для нерегулярного, равновесного, синфазного и противо-фазного режимов) и для вычисления величины связи между проводниками пары.

Рис. 4. Геометрические размеры сечения дифференциальной пары

Автор: Abbas Riazi. Перевод статьи DIFFERENTIAL SIGNALS ROUTING REQUIREMENTS, Printed Circuit Design Manufacture, February-March 2004

Источник