Die Grundlagen: Single-Ended und Differential Signaling

Zuerst müssen wir einige Grundlagen darüber lernen, was Single-Ended-Signalisierung ist, bevor wir uns mit der differentiellen Signalisierung und ihren Eigenschaften befassen können.

Single-Ended-Signalisierung

Single-Ended-Signalisierung ist eine einfache und gängige Methode zur Übertragung eines elektrischen Signals von einem Sender zu einem Empfänger. Das elektrische Signal wird durch eine Spannung (oft eine variierende Spannung) übertragen, die auf ein festes Potenzial bezogen ist, normalerweise ein 0-V-Knoten, der als "Masse" bezeichnet wird.

Ein Leiter führt das Signal und ein Leiter führt das gemeinsame Bezugspotential. Der mit dem Signal verbundene Strom fließt vom Sender zum Empfänger und kehrt über die Masseverbindung zur Stromversorgung zurück. Wenn mehrere Signale übertragen werden, benötigt die Schaltung einen Leiter für jedes Signal plus eine gemeinsame Masseverbindung; so können beispielsweise 16 Signale mit 17 Leitern übertragen werden.

 

Single-Ended-Topologie

Differenzielle Signalisierung

Die differentielle Signalisierung, die weniger verbreitet ist als die Single-Ended-Signalisierung, verwendet zwei komplementäre Spannungssignale, um ein Informationssignal zu übertragen. Ein Informationssignal erfordert also ein Leiterpaar; einer trägt das Signal und der andere trägt das invertierte Signal.

 

Single-Ended vs. Differential: Generisches Timing-Diagramm

 

Der Empfänger extrahiert Informationen durch Erfassen der Potentialdifferenz zwischen den invertierten und nicht invertierten Signalen. Die beiden Spannungssignale sind "symmetrisch", dh sie haben die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Polarität relativ zu einer Gleichtaktspannung. Auch die diesen Spannungen zugeordneten Rückströme sind symmetrisch und heben sich somit gegenseitig auf; Aus diesem Grund können wir sagen, dass bei Differenzsignalen (idealerweise) kein Strom durch den Masseanschluss fließt.

Bei der differentiellen Signalisierung teilen sich Sender und Empfänger nicht unbedingt eine gemeinsame Massereferenz. Die Verwendung der differentiellen Signalisierung bedeutet jedoch nicht, dass Erdpotentialunterschiede zwischen Sender und Empfänger keinen Einfluss auf die Funktion der Schaltung haben.

Wenn mehrere Signale übertragen werden, werden für jedes Signal zwei Leiter benötigt, und es ist oft notwendig oder zumindest vorteilhaft, eine Masseverbindung vorzusehen, selbst wenn alle Signale differenziell sind. So würde zum Beispiel die Übertragung von 16 Signalen 33 Leiter erfordern (im Vergleich zu 17 bei einer einseitigen Übertragung). Dies zeigt einen offensichtlichen Nachteil der differentiellen Signalisierung.

 

Differentielle Signalisierungstopologie

Vorteile der Differenzsignalisierung

Es gibt jedoch wichtige Vorteile der differentiellen Signalisierung, die die erhöhte Leiteranzahl mehr als kompensieren können.

Kein Rückstrom

Da wir (idealerweise) keinen Rückstrom haben, verliert der Massebezug an Bedeutung. Das Massepotential kann bei Sender und Empfänger sogar unterschiedlich sein oder sich in einem gewissen akzeptablen Bereich bewegen. Sie müssen jedoch vorsichtig sein, da DC-gekoppelte differentielle Signalisierung (wie USB, RS-485, CAN) im Allgemeinen ein gemeinsames Massepotential erfordert, um sicherzustellen, dass die Signale innerhalb der maximal und minimal zulässigen Gleichtaktspannung der Schnittstelle bleiben.

Widerstand gegen ankommende EMI und Übersprechen

Wenn EMI (elektromagnetische Interferenz) oder Übersprechen (dh EMI, das von nahegelegenen Signalen erzeugt wird) von außerhalb der Differenzleiter eingeführt wird, wird es zu gleichen Teilen dem invertierten und nicht invertierten Signal hinzugefügt. Der Empfänger reagiert auf die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Signalen und nicht auf die Single-Ended- (dh Masse-bezogene) Spannung, und somit wird die Empfängerschaltung die Amplitude der Interferenz oder des Übersprechens stark reduzieren.

Aus diesem Grund sind Differenzsignale weniger empfindlich gegenüber EMI, Übersprechen oder anderem Rauschen, das in beide Signale des Differenzpaars einkoppelt.

Reduzierung ausgehender EMI und Übersprechen

Schnelle Übergänge, wie die steigenden und fallenden Flanken digitaler Signale, können erhebliche EMI-Mengen erzeugen. Sowohl Single-Ended- als auch Differenzsignale erzeugen EMI, aber die beiden Signale in einem Differenzpaar erzeugen elektromagnetische Felder mit (idealerweise) gleicher Stärke, aber entgegengesetzter Polarität. In Verbindung mit Techniken, die eine enge Nachbarschaft zwischen den beiden Leitern gewährleisten (z. B. die Verwendung von Twisted-Pair-Kabeln), wird dadurch sichergestellt, dass sich die Emissionen der beiden Leiter gegenseitig weitgehend aufheben.

Niederspannungsbetrieb

Single-Ended-Signale müssen eine relativ hohe Spannung aufrechterhalten, um ein angemessenes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu gewährleisten. Übliche Single-Ended-Schnittstellenspannungen sind 3.3 V und 5 V. Aufgrund ihrer verbesserten Rauschfestigkeit können Differenzsignale niedrigere Spannungen verwenden und dennoch ein angemessenes SNR beibehalten. Außerdem wird das SNR der differentiellen Signalisierung automatisch um den Faktor zwei relativ zu einer äquivalenten Single-Ended-Implementierung erhöht, da der Dynamikbereich am differentiellen Empfänger doppelt so hoch ist wie der Dynamikbereich jedes Signals innerhalb des differentiellen Paares.

Die Fähigkeit, Daten mit niedrigeren Signalspannungen erfolgreich zu übertragen, bringt einige wichtige Vorteile mit sich:

• Niedrigere Versorgungsspannungen können verwendet werden.
• Kleinere Spannungsübergänge
  • abgestrahlte EMI reduzieren,
  • den Stromverbrauch reduzieren und
  • ermöglichen höhere Betriebsfrequenzen.

High- oder Low-Zustand und präzises Timing

Haben Sie sich jemals gefragt, wie genau wir entscheiden, ob sich ein Signal in einem logisch hohen oder logisch niedrigen Zustand befindet? Bei Single-Ended-Systemen müssen wir die Versorgungsspannung, die Schwelleneigenschaften der Empfängerschaltungen, vielleicht den Wert einer Referenzspannung berücksichtigen. Und natürlich gibt es Variationen und Toleranzen, die zusätzliche Unsicherheit in die Logik-High-oder-Logik-Low-Frage bringen.

Bei Differenzsignalen ist die Bestimmung des logischen Zustands einfacher. Wenn die Spannung des nicht invertierten Signals höher ist als die Spannung des invertierten Signals, haben Sie logisch hoch. Wenn die nicht invertierte Spannung niedriger als die invertierte Spannung ist, haben Sie logisch niedrig. Und der Übergang zwischen den beiden Zuständen ist der Punkt, an dem sich die nicht invertierten und invertierten Signale schneiden – dh der Kreuzungspunkt.

Dies ist einer der Gründe, warum die Längen von Drähten oder Leiterbahnen mit Differenzsignalen aufeinander abgestimmt sind: Für maximale Timing-Präzision soll der Übergangspunkt genau dem logischen Übergang entsprechen, aber wenn die beiden Leiter im Paar nicht gleich sind Länge, führt der Unterschied in der Ausbreitungsverzögerung dazu, dass sich der Übergangspunkt verschiebt.

Anwendungen

Derzeit gibt es viele Schnittstellenstandards, die Differenzsignale verwenden. Dazu gehören die folgenden:

• LVDS (Niederspannungs-Differentialsignalisierung)
• CML (Strommodus-Logik)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Hochwertiges, ausgewogenes Audio

Die theoretischen Vorteile der differentiellen Signalisierung wurden eindeutig durch den praktischen Einsatz in unzähligen realen Anwendungen bestätigt.

Grundlegende PCB-Techniken für das Routing von differentiellen Leiterbahnen

Lassen Sie uns schließlich die Grundlagen lernen, wie differentielle Leiterbahnen auf PCBs geroutet werden. Das Routing von Differenzsignalen kann etwas komplex sein, aber es gibt einige Grundregeln, die den Vorgang einfacher machen.

Länge und Längenabstimmung – Halten Sie es gleich!

Differenzsignale sind (idealerweise) gleich groß und entgegengesetzt gepolt. Somit fließt im Idealfall kein Nettorückstrom durch die Erde. Dieses Fehlen von Rückstrom ist eine gute Sache, daher möchten wir alles so ideal wie möglich halten, und das bedeutet, dass wir für die beiden Leiterbahnen in einem Differentialpaar gleiche Längen benötigen.

Je höher die Anstiegs-/Abfallzeit Ihres Signals (nicht zu verwechseln mit der Frequenz des Signals), desto mehr müssen Sie darauf achten, dass die Leiterbahnen gleich lang sind. Ihr Layoutprogramm enthält möglicherweise eine Funktion, mit der Sie die Länge der Leiterbahnen für Differenzpaare feinabstimmen können. Wenn Sie Schwierigkeiten haben, eine gleiche Länge zu erreichen, können Sie die "Mäander"-Technik verwenden.

 

Ein Beispiel für eine mäanderförmige Spur

Breite und Abstand – halten Sie es konstant!

Je näher die Differenzleiter liegen, desto besser ist die Kopplung der Signale. Die erzeugte EMI wird effektiver ausgelöscht und die empfangene EMI wird gleichmäßiger in beide Signale eingekoppelt. Versuchen Sie also, sie wirklich nahe beieinander zu bringen.

Verlegen Sie die Differenzadern möglichst weit entfernt von benachbarten Signalen, um Störungen zu vermeiden. Die Breite und der Abstand zwischen Ihren Leiterbahnen sollten entsprechend der Zielimpedanz gewählt werden und über die gesamte Leiterbahnlänge konstant bleiben. Daher sollten die Leiterbahnen nach Möglichkeit parallel bleiben, während sie sich um die Leiterplatte bewegen.

Impedanz – Variationen minimieren!

Eine der wichtigsten Aufgaben beim Entwerfen einer Leiterplatte mit Differenzsignalen besteht darin, die Zielimpedanz für Ihre Anwendung zu ermitteln und dann Ihre Differenzpaare entsprechend auszulegen. Halten Sie außerdem Impedanzschwankungen so gering wie möglich.

Die Impedanz Ihrer Differenzleitung hängt von Faktoren wie der Breite der Leiterbahn, der Kopplung der Leiterbahnen, der Kupferdicke und dem Material und dem Schichtaufbau der Leiterplatte ab. Berücksichtigen Sie jeden dieser Punkte, wenn Sie versuchen, alles zu vermeiden, was die Impedanz Ihres Differentialpaars ändert.

Leiten Sie Hochgeschwindigkeitssignale nicht über eine Lücke zwischen Kupferbereichen auf einer ebenen Schicht, da dies auch Ihre Impedanz beeinflusst. Versuchen Sie, Diskontinuitäten in Masseebenen zu vermeiden.

Layoutempfehlungen – Lesen, analysieren und überdenken Sie sie!

Und zu guter Letzt gibt es beim Routing von Differenzleiterbahnen noch eines sehr wichtiges zu tun: Holen Sie sich das Datenblatt und/oder die Anwendungshinweise des Chips, der das Differenzsignal sendet oder empfängt, lesen Sie die Layout-Empfehlungen durch und analysieren Sie sie eng. Auf diese Weise können Sie das bestmögliche Layout innerhalb der Einschränkungen eines bestimmten Designs implementieren.

Zusammenfassung

Die differenzielle Signalisierung ermöglicht es uns, Informationen mit niedrigeren Spannungen, gutem SNR, verbesserter Störfestigkeit und höheren Datenraten zu übertragen. Auf der anderen Seite steigt die Leiterzahl und das System benötigt spezielle Sender und Empfänger anstelle von Standard-Digital-ICs.

Heutzutage sind differenzielle Signale Teil vieler Standards, darunter LVDS, USB, CAN, RS-485 und Ethernet, und daher sollten wir alle (zumindest) mit dieser Technologie vertraut sein. Wenn Sie tatsächlich eine Leiterplatte mit Differenzsignalen entwerfen, denken Sie daran, die entsprechenden Datenblätter und App-Hinweise zu konsultieren und diesen Artikel bei Bedarf erneut zu lesen!

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