საფუძვლები: ცალმხრივი და დიფერენციალური სიგნალიზაცია

პირველ რიგში, ჩვენ უნდა ვისწავლოთ რამდენიმე საფუძვლები იმის შესახებ, თუ რა არის ცალმხრივი სიგნალიზაცია, სანამ ჩვენ შევძლებთ დიფერენციალურ სიგნალიზაციას და მის მახასიათებლებს.

ცალმხრივი სიგნალიზაცია

ერთჯერადი სიგნალიზაცია არის ელექტრული სიგნალის გამგზავნიდან მიმღებზე გადაცემის მარტივი და გავრცელებული გზა. ელექტრული სიგნალი გადაიცემა ძაბვით (ხშირად ცვალებადი ძაბვით), რომელიც მოხსენიებულია ფიქსირებულ პოტენციალზე, ჩვეულებრივ 0 ვ კვანძზე, რომელსაც უწოდებენ "მიწას".

ერთი დირიჟორი ატარებს სიგნალს და ერთი დირიჟორი ატარებს საერთო საცნობარო პოტენციალს. სიგნალთან დაკავშირებული დენი გადადის გამგზავნიდან მიმღებამდე და უბრუნდება ელექტრომომარაგებას მიწის კავშირის საშუალებით. თუ რამდენიმე სიგნალი გადაიცემა, წრეს დასჭირდება ერთი გამტარი თითოეული სიგნალისთვის, პლუს ერთი საერთო მიწის კავშირი; ამრიგად, მაგალითად, 16 სიგნალის გადაცემა შესაძლებელია 17 დირიჟორის გამოყენებით.

 

ცალმხრივი ტოპოლოგია

დიფერენციალური სიგნალიზაცია

დიფერენციალური სიგნალიზაცია, რომელიც ნაკლებად გავრცელებულია, ვიდრე ერთჯერადი სიგნალიზაცია, იყენებს ორ დამატებით ძაბვის სიგნალს ერთი საინფორმაციო სიგნალის გადასაცემად. ასე რომ, ერთი საინფორმაციო სიგნალი მოითხოვს წყვილი გამტარებს; ერთი ატარებს სიგნალს და მეორე ატარებს ინვერსიულ სიგნალს.

 

ცალმხრივი და დიფერენციალური: ზოგადი დროის დიაგრამა

 

მიმღები ამოიღებს ინფორმაციას ინვერსიულ და არაინვერსიულ სიგნალებს შორის პოტენციური სხვაობის აღმოჩენით. ორი ძაბვის სიგნალი "დაბალანსებულია", რაც იმას ნიშნავს, რომ მათ აქვთ თანაბარი ამპლიტუდა და საპირისპირო პოლარობა საერთო რეჟიმის ძაბვის მიმართ. ამ ძაბვებთან დაკავშირებული დაბრუნების დენები ასევე დაბალანსებულია და ამით ანადგურებს ერთმანეთს; ამ მიზეზით, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ დიფერენციალურ სიგნალებს აქვთ (იდეალურად) ნულოვანი დენი, რომელიც მიედინება მიწის კავშირში.

დიფერენციალური სიგნალიზაციით, გამგზავნი და მიმღები სულაც არ იზიარებენ საერთო მინიშნებას. თუმცა, დიფერენციალური სიგნალის გამოყენება არ ნიშნავს, რომ მიწის პოტენციალის განსხვავება გამგზავნსა და მიმღებს შორის არ ახდენს გავლენას მიკროსქემის მუშაობაზე.

თუ გადაცემულია მრავალი სიგნალი, თითოეული სიგნალისთვის საჭიროა ორი გამტარი და ხშირად აუცილებელია ან სულ მცირე მომგებიანი იყოს დამიწების კავშირი, მაშინაც კი, როდესაც ყველა სიგნალი დიფერენციალურია. ამრიგად, მაგალითად, 16 სიგნალის გადაცემას დასჭირდება 33 გამტარი (შედარებით 17 ერთჯერადი გადაცემისთვის). ეს აჩვენებს დიფერენციალური სიგნალიზაციის აშკარა მინუსს.

 

დიფერენციალური სასიგნალო ტოპოლოგია

დიფერენციალური სიგნალიზაციის უპირატესობები

თუმცა, არსებობს დიფერენციალური სიგნალიზაციის მნიშვნელოვანი სარგებელი, რომელსაც შეუძლია მეტი კომპენსირება მოახდინოს დირიჟორის გაზრდილი რაოდენობისთვის.

არადაბრუნების მიმდინარეობა

ვინაიდან ჩვენ (იდეალურად) არ გვაქვს დაბრუნების დენი, გრუნტის მითითება ნაკლებად მნიშვნელოვანი ხდება. მიწის პოტენციალი შეიძლება იყოს განსხვავებული გამგზავნისა და მიმღების დროს ან გადაადგილება გარკვეულ მისაღები დიაპაზონში. თუმცა, სიფრთხილე გმართებთ, რადგან DC-დაწყვილებული დიფერენციალური სიგნალიზაცია (როგორიცაა USB, RS-485, CAN) ჩვეულებრივ მოითხოვს საერთო დამიწების პოტენციალს, რათა უზრუნველყოს, რომ სიგნალები დარჩეს ინტერფეისის მაქსიმალური და მინიმალური დასაშვები საერთო რეჟიმის ძაბვის ფარგლებში.

წინააღმდეგობა შემომავალი EMI-სა და Crosstalk-ის მიმართ

თუ EMI (ელექტრომაგნიტური ჩარევა) ან ჯვარედინი ტალკი (ე.ი. EMI გენერირებული ახლომდებარე სიგნალებით) შემოტანილია დიფერენციალური გამტარების გარედან, ის თანაბრად ემატება ინვერსიულ და არაინვერსიულ სიგნალს. მიმღები პასუხობს ძაბვის განსხვავებას ორ სიგნალს შორის და არა ერთჯერადი (ანუ მიწაზე მითითებულ) ძაბვაზე, და ამგვარად, მიმღების წრე მნიშვნელოვნად შეამცირებს ჩარევის ან ჯვარედინის ამპლიტუდას.

სწორედ ამიტომაა, რომ დიფერენციალური სიგნალები ნაკლებად მგრძნობიარეა EMI-ს, კრუნჩხვის ან ნებისმიერი სხვა ხმაურის მიმართ, რომელიც წყვილდება დიფერენციალური წყვილის ორივე სიგნალში.

გამავალი EMI და Crosstalk-ის შემცირება

სწრაფმა გადასვლებმა, როგორიცაა ციფრული სიგნალების ამომავალი და დაცემის კიდეები, შეიძლება წარმოქმნას მნიშვნელოვანი რაოდენობით EMI. ორივე ცალმხრივი და დიფერენციალური სიგნალები წარმოქმნის EMI-ს, მაგრამ ორი სიგნალი დიფერენციალურ წყვილში შექმნის ელექტრომაგნიტურ ველებს, რომლებიც (იდეალურად) ტოლია სიდიდით, მაგრამ საპირისპირო პოლარობით. ეს, ტექნიკებთან ერთად, რომლებიც ინარჩუნებენ სიახლოვეს ორ გამტარს შორის (როგორიცაა გრეხილი წყვილი კაბელის გამოყენება), უზრუნველყოფს, რომ ორი გამტარიდან გამონაბოლქვი დიდწილად გააუქმოს ერთმანეთი.

ქვედა ძაბვის მუშაობა

ცალმხრივი სიგნალები უნდა შეინარჩუნონ შედარებით მაღალი ძაბვა, რათა უზრუნველყონ სიგნალი-ხმაურის ადეკვატური თანაფარდობა (SNR). საერთო ცალმხრივი ინტერფეისის ძაბვებია 3.3 ვ და 5 ვ. ხმაურის მიმართ გაუმჯობესებული წინააღმდეგობის გამო, დიფერენციალურ სიგნალებს შეუძლიათ გამოიყენონ დაბალი ძაბვები და მაინც შეინარჩუნონ ადეკვატური SNR. ასევე, დიფერენციალური სიგნალიზაციის SNR ავტომატურად იზრდება ორი კოეფიციენტით ექვივალენტური ერთჯერადი განხორციელების მიმართ, რადგან დიფერენციალური მიმღების დინამიური დიაპაზონი ორჯერ მეტია, ვიდრე თითოეული სიგნალის დინამიური დიაპაზონი დიფერენციალური წყვილის შიგნით.

დაბალი სიგნალის ძაბვის გამოყენებით მონაცემების წარმატებით გადაცემის შესაძლებლობას აქვს რამდენიმე მნიშვნელოვანი უპირატესობა:

• შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაბალი მიწოდების ძაბვა.
• უფრო მცირე ძაბვის გადასვლები
  • შეამცირეთ გამოსხივებული EMI,
  • შეამციროს ენერგიის მოხმარება და
  • საშუალებას იძლევა უფრო მაღალი ოპერაციული სიხშირეები.

მაღალი ან დაბალი მდგომარეობა და ზუსტი დრო

ოდესმე დაფიქრებულხართ, ზუსტად როგორ გადავწყვიტოთ, არის თუ არა სიგნალი ლოგიკურად მაღალ ან ლოგიკურად დაბალ მდგომარეობაში? ერთსაფეხურიან სისტემებში ჩვენ უნდა გავითვალისწინოთ ელექტრომომარაგების ძაბვა, მიმღების მიკროსქემის ზღვრული მახასიათებლები, შესაძლოა საორიენტაციო ძაბვის მნიშვნელობა. და, რა თქმა უნდა, არის ვარიაციები და ტოლერანტობა, რაც დამატებით გაურკვევლობას მოაქვს ლოგიკა-მაღალ-ან-ლოგიკა-დაბალ კითხვაში.

დიფერენციალურ სიგნალებში ლოგიკური მდგომარეობის განსაზღვრა უფრო მარტივია. თუ არაინვერსიული სიგნალის ძაბვა უფრო მაღალია, ვიდრე ინვერსიული სიგნალის ძაბვა, თქვენ გაქვთ ლოგიკური მაღალი. თუ არაინვერსიული ძაბვა შებრუნებულზე დაბალია, ლოგიკური დაბალი გაქვთ. და გადასვლის ორ მდგომარეობას შორის არის წერტილი, სადაც არაინვერსიული და ინვერსიული სიგნალები იკვეთება - ანუ გადაკვეთის წერტილი.

ეს არის ერთ-ერთი მიზეზი, რის გამოც მნიშვნელოვანია დიფერენციალური სიგნალების მატარებელი მავთულის სიგრძის შედარება: დროის მაქსიმალური სიზუსტისთვის, გსურთ, რომ გადაკვეთის წერტილი ზუსტად შეესაბამებოდეს ლოგიკურ გადასვლას, მაგრამ როდესაც წყვილში ორი გამტარი არ არის თანაბარი. სიგრძეზე, გამრავლების დაყოვნების სხვაობა გამოიწვევს გადაკვეთის წერტილის გადაადგილებას.

პროგრამები

ამჟამად არსებობს მრავალი ინტერფეისის სტანდარტი, რომელიც იყენებს დიფერენციალურ სიგნალებს. ეს მოიცავს შემდეგს:

• LVDS (დაბალი ძაბვის დიფერენციალური სიგნალიზაცია)
• CML (მიმდინარე რეჟიმის ლოგიკა)
• RS485
• RS422
• ეთერნეტის
• CAN
• USB
• მაღალი ხარისხის დაბალანსებული აუდიო

ცხადია, დიფერენციალური სიგნალიზაციის თეორიული უპირატესობები დადასტურებულია პრაქტიკული გამოყენებით უამრავ რეალურ სამყაროში.

ძირითადი PCB ტექნიკა დიფერენციალური კვალის მარშრუტიზაციისთვის

და ბოლოს, მოდით ვისწავლოთ საფუძვლები, თუ როგორ ხდება დიფერენციალური კვალის მარშრუტი PCB-ებზე. დიფერენციალური სიგნალების მარშრუტირება შეიძლება ცოტა რთული იყოს, მაგრამ არსებობს რამდენიმე ძირითადი წესი, რაც პროცესს უფრო მარტივს ხდის.

სიგრძისა და სიგრძის შესატყვისი - შეინახეთ თანაბარი!

დიფერენციალური სიგნალები (იდეალურად) ტოლია სიდიდით და საპირისპირო პოლარობით. ამრიგად, იდეალურ შემთხვევაში, წმინდა დაბრუნების დენი არ შემოვა მიწაში. დაბრუნების დენის ეს არარსებობა კარგია, ამიტომ გვსურს შევინარჩუნოთ ყველაფერი რაც შეიძლება იდეალური და ეს ნიშნავს, რომ ჩვენ გვჭირდება თანაბარი სიგრძე ორი კვალი დიფერენციალურ წყვილში.

რაც უფრო მაღალია თქვენი სიგნალის აწევა/დაცემა (არ უნდა აგვერიოს სიგნალის სიხშირეში), მით მეტი უნდა დარწმუნდეთ, რომ კვალს აქვს იდენტური სიგრძე. თქვენი განლაგების პროგრამა შეიძლება შეიცავდეს ფუნქციას, რომელიც დაგეხმარებათ დაარეგულიროთ კვალის სიგრძე დიფერენციალური წყვილებისთვის. თუ თქვენ გიჭირთ თანაბარი სიგრძის მიღწევა, შეგიძლიათ გამოიყენოთ "მეანდრის" ტექნიკა.

 

მეანდერული კვალის მაგალითი

სიგანე და მანძილი - შეინახეთ იგი მუდმივი!

რაც უფრო ახლოს არის დიფერენციალური გამტარები, მით უკეთესი იქნება სიგნალების შეერთება. გენერირებული EMI გააუქმებს უფრო ეფექტურად და მიღებული EMI უფრო თანაბრად დაერთვება ორივე სიგნალში. ამიტომ ეცადეთ, ისინი ნამდვილად დააახლოოთ ერთმანეთთან.

თქვენ უნდა გაატაროთ დიფერენციალური წყვილის გამტარები მეზობელი სიგნალებისგან რაც შეიძლება შორს, რათა თავიდან აიცილოთ ჩარევა. თქვენს კვალს შორის სიგანე და სივრცე უნდა შეირჩეს სამიზნე წინაღობის მიხედვით და უნდა დარჩეს მუდმივი კვალის მთელ სიგრძეზე. ასე რომ, თუ ეს შესაძლებელია, კვალი უნდა დარჩეს პარალელურად, როდესაც ისინი მოგზაურობენ PCB-ს გარშემო.

წინაღობა - ვარიაციების მინიმუმამდე შემცირება!

დიფერენციალური სიგნალებით PCB-ის დიზაინის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი რამ არის თქვენი აპლიკაციისთვის სამიზნე წინაღობის გარკვევა და შემდეგ თქვენი დიფერენციალური წყვილების შესაბამისად განლაგება. ასევე, შეინახეთ წინაღობის ვარიაციები რაც შეიძლება მცირე.

თქვენი დიფერენციალური ხაზის წინაღობა დამოკიდებულია ისეთ ფაქტორებზე, როგორიცაა კვალის სიგანე, კვალის შეერთება, სპილენძის სისქე და PCB-ის მასალა და ფენის დაწყობა. განიხილეთ თითოეული მათგანი, როდესაც ცდილობთ თავიდან აიცილოთ ყველაფერი, რაც ცვლის თქვენი დიფერენციალური წყვილის წინაღობას.

არ გადაიყვანოთ მაღალსიჩქარიანი სიგნალები სიბრტყეზე სპილენძის უბნებს შორის უფსკრულით, რადგან ეს ასევე გავლენას ახდენს თქვენს წინაღობაზე. შეეცადეთ თავიდან აიცილოთ წყვეტები მიწის სიბრტყეში.

განლაგების რეკომენდაციები – წაიკითხეთ, გაანალიზეთ და გადახედეთ მათ!

და ბოლოს, რაც არანაკლებ მნიშვნელოვანია, არის ერთი ძალიან მნიშვნელოვანი რამ, რაც უნდა გააკეთოთ დიფერენციალური კვალის მარშრუტიზაციისას: მიიღეთ მონაცემთა ცხრილი და/ან განაცხადის შენიშვნები ჩიპისთვის, რომელიც აგზავნის ან იღებს დიფერენციალურ სიგნალს, წაიკითხეთ განლაგების რეკომენდაციები და გააანალიზეთ. მათ მჭიდროდ. ამ გზით თქვენ შეგიძლიათ განახორციელოთ საუკეთესო შესაძლო განლაგება კონკრეტული დიზაინის შეზღუდვების ფარგლებში.

დასკვნა

დიფერენციალური სიგნალიზაცია საშუალებას გვაძლევს გადავიტანოთ ინფორმაცია დაბალი ძაბვით, კარგი SNR, გაუმჯობესებული იმუნიტეტით ხმაურის მიმართ და მონაცემთა მაღალი სიჩქარით. მეორეს მხრივ, დირიჟორების რაოდენობა იზრდება და სისტემას დასჭირდება სპეციალიზებული გადამცემები და მიმღებები სტანდარტული ციფრული IC-ების ნაცვლად.

დღესდღეობით, დიფერენციალური სიგნალები მრავალი სტანდარტის ნაწილია, მათ შორის LVDS, USB, CAN, RS-485 და Ethernet, და ამიტომ ჩვენ ყველა უნდა ვიცოდეთ (მინიმუმ) ეს ტექნოლოგია. თუ თქვენ რეალურად ქმნით PCB-ს დიფერენციალური სიგნალებით, არ უნდა დაგვავიწყდეს, რომ გაეცნოთ შესაბამის მონაცემთა ცხრილებს და აპლიკაციების შენიშვნებს და, საჭიროების შემთხვევაში, ხელახლა წაიკითხეთ ეს სტატია!

დატოვე შეტყობინება 

შეტყობინება სია