Le basi: segnalazione single-ended e differenziale

Innanzitutto, dobbiamo imparare alcune nozioni di base su cosa sia la segnalazione single-ended prima di poter esaminare la segnalazione differenziale e le sue caratteristiche.

Segnalazione single-ended

La segnalazione single-ended è un modo semplice e comune per trasmettere un segnale elettrico da un mittente a un ricevitore. Il segnale elettrico viene trasmesso da una tensione (spesso una tensione variabile), che fa riferimento a un potenziale fisso, solitamente un nodo a 0 V denominato "massa".

Un conduttore trasporta il segnale e un conduttore trasporta il potenziale di riferimento comune. La corrente associata al segnale viaggia dal mittente al ricevitore e ritorna all'alimentazione attraverso il collegamento a terra. Se vengono trasmessi più segnali, il circuito richiederà un conduttore per ogni segnale più una connessione di terra condivisa; così, ad esempio, possono essere trasmessi 16 segnali utilizzando 17 conduttori.

 

Topologia single-ended

Segnalazione differenziale

La segnalazione differenziale, meno comune della segnalazione single-ended, utilizza due segnali di tensione complementari per trasmettere un segnale informativo. Quindi un segnale informativo richiede una coppia di conduttori; uno trasporta il segnale e l'altro trasporta il segnale invertito.

 

Single-ended vs differenziale: diagramma temporale generico

 

Il ricevitore estrae le informazioni rilevando la differenza di potenziale tra i segnali invertiti e non invertiti. I due segnali di tensione sono "bilanciati", il che significa che hanno uguale ampiezza e polarità opposta rispetto a una tensione di modo comune. Anche le correnti di ritorno associate a queste tensioni sono bilanciate e quindi si annullano a vicenda; per questo motivo possiamo dire che i segnali differenziali hanno (idealmente) corrente nulla che scorre attraverso il collegamento di massa.

Con la segnalazione differenziale, il mittente e il ricevitore non condividono necessariamente un riferimento di terra comune. Tuttavia, l'uso della segnalazione differenziale non significa che le differenze di potenziale di terra tra emettitore e ricevitore non abbiano alcun effetto sul funzionamento del circuito.

Se vengono trasmessi più segnali, sono necessari due conduttori per ogni segnale e spesso è necessario o almeno vantaggioso includere un collegamento a terra, anche quando tutti i segnali sono differenziali. Pertanto, ad esempio, la trasmissione di 16 segnali richiederebbe 33 conduttori (rispetto ai 17 della trasmissione single-ended). Ciò dimostra un evidente svantaggio della segnalazione differenziale.

 

Topologia di segnalazione differenziale

Vantaggi della segnalazione differenziale

Tuttavia, ci sono importanti vantaggi della segnalazione differenziale che possono più che compensare l'aumento del numero di conduttori.

Nessuna corrente di ritorno

Poiché non abbiamo (idealmente) corrente di ritorno, il riferimento di terra diventa meno importante. Il potenziale di terra può anche essere diverso al mittente e al ricevitore o spostarsi all'interno di un determinato intervallo accettabile. Tuttavia, è necessario prestare attenzione perché la segnalazione differenziale accoppiata in CC (come USB, RS-485, CAN) generalmente richiede un potenziale di terra condiviso per garantire che i segnali rimangano all'interno della tensione di modo comune massima e minima consentita dell'interfaccia.

Resistenza a EMI in entrata e Crosstalk

Se EMI (interferenza elettromagnetica) o diafonia (cioè EMI generata da segnali vicini) viene introdotta dall'esterno dei conduttori differenziali, viene aggiunta in egual modo al segnale invertito e non invertito. Il ricevitore risponde alla differenza di tensione tra i due segnali e non alla tensione single-ended (cioè riferita a terra), e quindi il circuito del ricevitore ridurrà notevolmente l'ampiezza dell'interferenza o del crosstalk.

Questo è il motivo per cui i segnali differenziali sono meno sensibili a EMI, crosstalk o qualsiasi altro rumore che si accoppia in entrambi i segnali della coppia differenziale.

Riduzione di EMI in uscita e Crosstalk

Transizioni rapide, come i fronti di salita e di discesa dei segnali digitali, possono generare quantità significative di EMI. Sia i segnali single-ended che differenziali generano EMI, ma i due segnali in una coppia differenziale creeranno campi elettromagnetici che sono (idealmente) uguali in grandezza ma opposti nella polarità. Questo, insieme a tecniche che mantengono una stretta vicinanza tra i due conduttori (come l'uso del cavo a doppino intrecciato), garantisce che le emissioni dei due conduttori si annullino ampiamente a vicenda.

Funzionamento a bassa tensione

I segnali single-ended devono mantenere una tensione relativamente alta per garantire un adeguato rapporto segnale-rumore (SNR). Le comuni tensioni di interfaccia single-ended sono 3.3 V e 5 V. Grazie alla loro migliore resistenza al rumore, i segnali differenziali possono utilizzare tensioni inferiori e mantenere comunque un SNR adeguato. Inoltre, l'SNR della segnalazione differenziale viene automaticamente aumentato di un fattore due rispetto a un'implementazione single-ended equivalente, poiché la gamma dinamica al ricevitore differenziale è doppia rispetto alla gamma dinamica di ciascun segnale all'interno della coppia differenziale.

La capacità di trasferire correttamente i dati utilizzando tensioni di segnale inferiori comporta alcuni importanti vantaggi:

• È possibile utilizzare tensioni di alimentazione inferiori.
• Transizioni di tensione più piccole
  • ridurre le EMI irradiate,
  • ridurre il consumo di energia e
  • consentire frequenze di funzionamento più elevate.

Stato alto o basso e tempistica precisa

Ti sei mai chiesto come decidiamo esattamente se un segnale è in uno stato logico alto o logico basso? Nei sistemi single-ended, dobbiamo considerare la tensione di alimentazione, le caratteristiche di soglia del circuito del ricevitore, forse il valore di una tensione di riferimento. E naturalmente ci sono variazioni e tolleranze, che portano ulteriore incertezza nella domanda logica alta o logica bassa.

Nei segnali differenziali, determinare lo stato logico è più semplice. Se la tensione del segnale non invertito è superiore alla tensione del segnale invertito, hai una logica alta. Se la tensione non invertita è inferiore alla tensione invertita, hai una logica bassa. E la transizione tra i due stati è il punto in cui i segnali non invertiti e invertiti si intersecano, cioè il punto di crossover.

Questo è uno dei motivi per cui è importante far corrispondere le lunghezze dei fili o delle tracce che trasportano segnali differenziali: per la massima precisione di temporizzazione, si desidera che il punto di incrocio corrisponda esattamente alla transizione logica, ma quando i due conduttori della coppia non sono uguali lunghezza, la differenza nel ritardo di propagazione farà spostare il punto di incrocio.

Applicazioni

Attualmente esistono molti standard di interfaccia che utilizzano segnali differenziali. Questi includono quanto segue:

• LVDS (segnalazione differenziale a bassa tensione)
• CML (logica della modalità corrente)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• Materiale
• USB
• Audio bilanciato di alta qualità

Chiaramente, i vantaggi teorici della segnalazione differenziale sono stati confermati dall'uso pratico in innumerevoli applicazioni del mondo reale.

Tecniche PCB di base per l'instradamento di tracce differenziali

Infine, impariamo le basi di come le tracce differenziali vengono instradate sui PCB. L'instradamento dei segnali differenziali può essere un po' complesso, ma ci sono alcune regole di base che rendono il processo più semplice.

Corrispondenza di lunghezza e lunghezza: mantienilo uguale!

I segnali differenziali sono (idealmente) uguali in grandezza e opposti nella polarità. Pertanto, nel caso ideale, nessuna corrente netta di ritorno scorrerà attraverso il terreno. Questa assenza di corrente di ritorno è una buona cosa, quindi vogliamo mantenere tutto il più ideale possibile e ciò significa che abbiamo bisogno di lunghezze uguali per le due tracce in una coppia differenziale.

Maggiore è il tempo di salita/discesa del tuo segnale (da non confondere con la frequenza del segnale), più devi assicurarti che le tracce abbiano lunghezza identica. Il tuo programma di layout potrebbe includere una funzione che ti aiuta a mettere a punto la lunghezza delle tracce per le coppie differenziali. Se hai difficoltà a raggiungere la stessa lunghezza, puoi usare la tecnica del "meandro".

 

Un esempio di traccia serpeggiante

Larghezza e spaziatura: mantienila costante!

Più vicini sono i conduttori differenziali, migliore sarà l'accoppiamento dei segnali. L'EMI generata si annullerà in modo più efficace e l'EMI ricevuta si accoppierà in modo più uniforme in entrambi i segnali. Quindi cerca di avvicinarli davvero.

È necessario instradare i conduttori a coppia differenziale il più lontano possibile dai segnali vicini, per evitare interferenze. La larghezza e lo spazio tra le tracce dovrebbe essere selezionato in base all'impedenza target e dovrebbe rimanere costante per l'intera lunghezza delle tracce. Quindi, se possibile, le tracce dovrebbero rimanere parallele mentre viaggiano attorno al PCB.

Impedenza – Riduci al minimo le variazioni!

Una delle cose più importanti da fare quando si progetta un PCB con segnali differenziali è scoprire l'impedenza target per la propria applicazione e quindi disporre le coppie differenziali di conseguenza. Inoltre, mantieni le variazioni di impedenza il più piccole possibile.

L'impedenza della linea differenziale dipende da fattori quali la larghezza della traccia, l'accoppiamento delle tracce, lo spessore del rame e il materiale del PCB e l'accumulo di strati. Considera ognuno di questi mentre cerchi di evitare qualsiasi cosa che modifichi l'impedenza della tua coppia differenziale.

Non indirizzare i segnali ad alta velocità su uno spazio vuoto tra le aree di rame su uno strato piano, poiché ciò influisce anche sulla tua impedenza. Cerca di evitare le discontinuità nei piani al suolo.

Suggerimenti per il layout: leggi, analizza e pensaci troppo!

E, ultimo ma non meno importante, c'è una cosa molto importante da fare quando si instradano le tracce differenziali: ottenere il foglio dati e/o le note applicative per il chip che sta inviando o ricevendo il segnale differenziale, leggere i consigli di layout e analizzare loro da vicino. In questo modo puoi implementare il miglior layout possibile entro i vincoli di un particolare progetto.

Conclusione

La segnalazione differenziale ci consente di trasmettere informazioni con tensioni più basse, un buon SNR, una migliore immunità al rumore e velocità di trasmissione dati più elevate. D'altra parte, il numero di conduttori aumenta e il sistema avrà bisogno di trasmettitori e ricevitori specializzati invece di circuiti integrati digitali standard.

Al giorno d'oggi, i segnali differenziali fanno parte di molti standard, inclusi LVDS, USB, CAN, RS-485 ed Ethernet, e quindi tutti dovremmo avere (almeno) familiarità con questa tecnologia. Se stai effettivamente progettando un PCB con segnali differenziali, ricordati di consultare le schede tecniche e le note dell'app pertinenti e, se necessario, rileggere questo articolo!

Lasciate un messaggio 

Elenco dei messaggi