היסודות: איתות חד-קצה ודיפרנציאלי

ראשית, עלינו ללמוד כמה יסודות על מהו איתות חד-קצה לפני שנוכל לעבור על איתות דיפרנציאלי ועל המאפיינים שלו.

איתות חד-קצה

איתות חד-קצה הוא דרך פשוטה ונפוצה להעברת אות חשמלי משולח למקלט. האות החשמלי מועבר על ידי מתח (לעיתים קרובות מתח משתנה), אשר מתייחס לפוטנציאל קבוע, בדרך כלל צומת 0 V המכונה "אדמה".

מוליך אחד נושא את האות ומוליך אחד נושא את פוטנציאל הייחוס המשותף. הזרם הקשור לאות עובר מהשולח למקלט וחוזר לאספקת החשמל דרך חיבור ההארקה. אם מועברים מספר אותות, המעגל ידרוש מוליך אחד לכל אות בתוספת חיבור הארקה משותף אחד; כך, למשל, ניתן להעביר 16 אותות באמצעות 17 מוליכים.

 

טופולוגיה חד-קצה

איתות דיפרנציאלי

איתות דיפרנציאלי, שהוא פחות נפוץ מאשר איתות חד-קצה, משתמש בשני אותות מתח משלימים על מנת לשדר אות מידע אחד. אז אות מידע אחד דורש זוג מוליכים; אחד נושא את האות והשני נושא את האות ההפוך.

 

חד-קצה לעומת דיפרנציאל: דיאגרמת תזמון גנרית

 

המקלט מחלץ מידע על ידי זיהוי ההבדל הפוטנציאלי בין האותות ההפוכים והלא-הפוכים. שני אותות המתח הם "מאוזנים", כלומר יש להם משרעת שווה וקוטביות הפוכה ביחס למתח משותף. זרמי ההחזרה הקשורים למתחים אלו מאוזנים אף הם ובכך מבטלים זה את זה; מסיבה זו, אנו יכולים לומר שלאותות דיפרנציאליים יש (אידיאלי) זרם אפס שזורם דרך חיבור האדמה.

עם איתות דיפרנציאלי, השולח והמקלט אינם חולקים בהכרח התייחסות קרקע משותפת. עם זאת, השימוש באיתות דיפרנציאלי אינו אומר שלהבדלים בפוטנציאל הארקה בין השולח למקלט אין השפעה על פעולת המעגל.

אם משודרים מספר אותות, יש צורך בשני מוליכים לכל אות, ולעתים קרובות יש צורך או לפחות מועיל לכלול חיבור הארקה, גם כאשר כל האותות הם דיפרנציאליים. כך, למשל, שידור של 16 אותות ידרוש 33 מוליכים (לעומת 17 עבור שידור חד-קצה). זה מדגים חסרון ברור של איתות דיפרנציאלי.

 

טופולוגיית איתות דיפרנציאלית

היתרונות של איתות דיפרנציאלי

עם זאת, ישנם יתרונות חשובים של איתות דיפרנציאלי שיכולים יותר מאשר לפצות על ספירת המוליכים המוגדלת.

זרם אין החזרה

מכיוון שאין לנו (אידיאלי) זרם חוזר, הפניה לקרקע הופכת פחות חשובה. פוטנציאל הקרקע יכול אפילו להיות שונה בשולח ובמקבל או להסתובב בטווח מקובל מסוים. עם זאת, עליך להיות זהיר כי איתות דיפרנציאלי צמוד DC (כגון USB, RS-485, CAN) דורש בדרך כלל פוטנציאל הארקה משותף כדי להבטיח שהאותות יישארו בתוך המתח המרבי והמינימלי המותר של הממשק במצב משותף.

התנגדות ל-EMI נכנסות ו-Crosstalk

אם EMI (הפרעה אלקטרומגנטית) או הצלבה (כלומר, EMI שנוצר על ידי אותות קרובים) מוכנסים מחוץ למוליכים הדיפרנציאליים, הוא מתווסף באופן שווה לאות ההפוך ולא הפוך. המקלט מגיב להפרש המתח בין שני האותות ולא למתח החד-קצה (כלומר, מופנה לקרקע), וכך מעגל המקלט יפחית מאוד את משרעת ההפרעה או ההצלבה.

זו הסיבה שאותות דיפרנציאליים פחות רגישים ל-EMI, הצלבה או כל רעש אחר שמתחבר לשני האותות של צמד ההפרשים.

הפחתת EMI ו-Crosstalk יוצאים

מעברים מהירים, כגון קצוות עולים ויורדים של אותות דיגיטליים, יכולים ליצור כמויות משמעותיות של EMI. גם אותות חד-קצה וגם אותות דיפרנציאליים מייצרים EMI, אבל שני האותות בזוג דיפרנציאלי ייצרו שדות אלקטרומגנטיים שהם (אידיאלי) שווים בגודלם אך מנוגדים בקוטביות. זה, בשילוב עם טכניקות השומרות על קרבה בין שני המוליכים (כגון שימוש בכבל זוג מעוות), מבטיח שהפליטה משני המוליכים תבטל במידה רבה זו את זו.

פעולה במתח נמוך יותר

אותות חד-קצה חייבים לשמור על מתח גבוה יחסית כדי להבטיח יחס אות לרעש (SNR) הולם. מתחי ממשק חד-קצה נפוצים הם 3.3 וולט ו-5 וולט. בגלל ההתנגדות המשופרת שלהם לרעש, אותות דיפרנציאליים יכולים להשתמש במתחים נמוכים יותר ועדיין לשמור על SNR נאות. כמו כן, ה-SNR של איתות דיפרנציאלי מוגדל אוטומטית בפקטור של שניים ביחס למימוש חד-קצה שווה ערך, מכיוון שהטווח הדינמי במקלט הדיפרנציאלי גבוה פי שניים מהטווח הדינמי של כל אות בתוך צמד ההפרשים.

היכולת להעביר נתונים בהצלחה באמצעות מתחי אות נמוכים יותר מגיעה עם כמה יתרונות חשובים:

• ניתן להשתמש במתחי אספקה ​​נמוכים יותר.
• מעברי מתח קטנים יותר
  • להפחית את הקרנת EMI,
  • להפחית את צריכת החשמל, וכן
  • לאפשר תדרי הפעלה גבוהים יותר.

מצב גבוה או נמוך ותזמון מדויק

האם אי פעם תהיתם איך בדיוק אנחנו מחליטים אם האות נמצא במצב לוגי-גבוה או לוגי-נמוך? במערכות חד-קצה, עלינו לשקול את מתח אספקת החשמל, את מאפייני הסף של מעגל המקלט, אולי את הערך של מתח ייחוס. וכמובן שישנן וריאציות וסובלנות, שמביאות אי ודאות נוספת לשאלה ההגיונית-גבוהה או-הגיונית-נמוכה.

באותות דיפרנציאליים, קביעת המצב הלוגי היא פשוטה יותר. אם המתח של האות הלא הפוך גבוה מהמתח של האות ההפוך, יש לך לוגיקה גבוהה. אם המתח הלא הפוך נמוך מהמתח ההפוך, יש לך לוגיקה נמוכה. והמעבר בין שני המצבים הוא הנקודה שבה האותות הלא-הפוכים וההפוכים מצטלבים - כלומר, נקודת ההצלבה.

זו אחת הסיבות לכך שחשוב להתאים את אורכי החוטים או העקבות הנושאים אותות דיפרנציאליים: לדיוק תזמון מרבי, אתה רוצה שנקודת ההצלבה תתאים בדיוק למעבר הלוגי, אך כאשר שני המוליכים בזוג אינם שווים אורך, ההבדל בעיכוב ההפצה יגרום להזזת נקודת ההצלבה.

יישומים

ישנם כיום תקני ממשק רבים המשתמשים באותות דיפרנציאליים. אלה כוללים את הדברים הבאים:

• LVDS (אותות דיפרנציאליים במתח נמוך)
• CML (לוגיקה במצב נוכחי)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• שמע מאוזן באיכות גבוהה

ברור שהיתרונות התיאורטיים של איתות דיפרנציאלי אושרו על ידי שימוש מעשי באינספור יישומים בעולם האמיתי.

טכניקות PCB בסיסיות לניתוב עקבות דיפרנציאליות

לבסוף, בואו נלמד את היסודות של איך מנותבים עקבות דיפרנציאליים על גבי PCB. ניתוב אותות דיפרנציאליים יכול להיות מעט מורכב, אך ישנם כמה כללים בסיסיים שהופכים את התהליך לפשוט יותר.

התאמת אורך ואורך - שמור על שוויון!

אותות דיפרנציאליים (אידיאלי) שווים בגודלם והפוכים בקוטביות. לפיכך, במקרה האידיאלי, שום זרם חוזר נטו לא יזרום דרך האדמה. היעדר זרם חוזר זה דבר טוב, אז אנחנו רוצים לשמור על הכל אידאלי ככל האפשר, וזה אומר שאנחנו צריכים אורכים שווים עבור שני העקבות בזוג דיפרנציאלי.

ככל שזמן העלייה/נפילה של האות שלך גבוה יותר (לא להתבלבל עם תדירות האות), כך עליך להבטיח שהעקבות יהיו באורך זהה. תוכנית הפריסה שלך עשויה לכלול תכונה שעוזרת לך לכוונן עדין את אורך העקבות עבור זוגות דיפרנציאליים. אם אתה מתקשה להשיג אורך שווה, אתה יכול להשתמש בטכניקת "המתפתל".

 

דוגמה לעקבה מתפתלת

רוחב ומרווח - שמור על זה קבוע!

ככל שהמוליכים הדיפרנציאליים קרובים יותר, כך הצימוד של האותות יהיה טוב יותר. EMI שנוצר יבטל בצורה יעילה יותר, ו-EMI שהתקבל יתחבר בצורה שווה יותר לשני האותות. אז נסו לקרב אותם ממש.

עליך לנתב את המוליכים צמד הדיפרנציאליים הרחק ככל האפשר מהאותות השכנים, על מנת למנוע הפרעות. יש לבחור את הרוחב והמרווח בין העקבות שלך בהתאם לעכבת המטרה וצריכים להישאר קבועים לכל אורך העקבות. אז אם אפשר, העקבות צריכים להישאר מקבילים כשהם נעים סביב ה-PCB.

עכבה - צמצם וריאציות!

אחד הדברים החשובים ביותר שיש לעשות בעת תכנון PCB עם אותות דיפרנציאליים הוא לגלות את עכבת היעד עבור היישום שלך ולאחר מכן לפרוס את צמדי ההפרש שלך בהתאם. כמו כן, שמור על שינויים בעכבה קטנים ככל האפשר.

העכבה של קו הדיפרנציאלי שלך תלויה בגורמים כגון רוחב העקבות, צימוד העקבות, עובי הנחושת וערימת החומר והשכבה של ה-PCB. שקול כל אחד מאלה כשאתה מנסה להימנע מכל דבר שישנה את העכבה של צמד הדיפרנציאלי שלך.

אל תנתב אותות במהירות גבוהה על פני מרווח בין אזורי נחושת בשכבה מישורית, כי זה משפיע גם על העכבה שלך. נסו להימנע מחוסר המשכיות במטוסי הקרקע.

המלצות פריסה - קרא, נתח וחשוב יותר מדי!

ואחרון חביב, יש דבר אחד חשוב מאוד שעליך לעשות בעת ניתוב עקבות דיפרנציאליות: לקבל את גיליון הנתונים ו/או הערות היישום עבור השבב ששולח או מקבל את האות ההפרש, לקרוא את המלצות הפריסה ולנתח אותם מקרוב. כך תוכלו ליישם את הפריסה הטובה ביותר במסגרת המגבלות של עיצוב מסוים.

סיכום

איתות דיפרנציאלי מאפשר לנו להעביר מידע עם מתחים נמוכים יותר, SNR טוב, חסינות משופרת לרעשים וקצבי נתונים גבוהים יותר. מצד שני, ספירת המוליכים עולה, והמערכת תזדקק למשדרים ומקלטים מיוחדים במקום IC דיגיטלי סטנדרטי.

בימינו, אותות דיפרנציאליים הם חלק מתקנים רבים, כולל LVDS, USB, CAN, RS-485 ו-Ethernet, ולכן כולנו צריכים להכיר (לכל הפחות) את הטכנולוגיה הזו. אם אתם באמת מתכננים PCB עם אותות דיפרנציאליים, זכרו לעיין בגיליונות הנתונים הרלוונטיים והערות האפליקציה, ובמידת הצורך קראו שוב את המאמר הזה!

השאר הודעה 

רשימת הודעות