Bandbreitenanforderungen für einseitige vs. differentielle Signale

Wie in einem früheren Artikel erwähnt, dienen neben seriell abgeschlossenen Übertragungsleitungen auch differentielle Signale als Verbindungen für die meisten CMOS-Geräte. Ein wesentlicher Unterschied zwischen einseitigen Signalen und differentiellen Signalen besteht darin, dass die Bandbreitenanforderungen eines differenziellen Signalwegs viel weniger anspruchsvoll sind als die für einen einseitigen Signalweg, der mit der gleichen Frequenz arbeitet. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Vorteile der differentiellen Signalübertragung und deren Funktionsweise in einem funktionierenden elektronischen Produkt.

Ein kurzer Überblick über die Vorteile der differentiellen Signalübertragung

Der erste Datenpunkt über differentielle Signale ist, dass sie in der Regel eine viel kleinere Signalschwankung als einseitige Signale aufweisen und fast immer parallel abgeschlossen sind. Dies führt dazu, dass der gesamte Strombedarf nahezu konstant bleibt, da er die Richtung auf den Signalleitungen wechselt. Die spezifischen Vorteile differentieller Signale umfassen:

• Die Stromlast ist konstant und aktuell.
• Sowohl der Signalstrom als auch der Rückstrom für die beiden Drähte sind gleich und in entgegengesetzte Richtungen.
  • Dies führt zu einem konstanten Gesamtstrom an den Schnittstellen der Verpackung.
• Da beide Leitungen bei der differentiellen Signalübertragung parallel verlaufen, neigen sie dazu, die gleiche Menge an eingekoppeltem Rauschen von der Ebene, über die sie reisen, zu erhalten.
  • Differentielle Signale erhalten nicht die gleiche Menge an Rauschkopplung von benachbarten Leiterbahnen.
• Der differentielle Empfänger eliminiert die Probleme, die sich aus Spannungsabfällen am Boden oder Versorgungsspannungsschwankungen zwischen den Komponenten ergeben.
• Differentielle Signale können mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten betrieben werden als Single-Ended-Signale.

Angesichts des Vorherigen scheint die Verwendung von differentiellen Signalen ein „Kinderspiel“ zu sein. Aber es gibt einen Nachteil – sie erfordern das Serialisieren der Daten an einem Ende und das Deserialisieren der Daten am anderen Ende.

Es gibt auch ein Missverständnis, das häufig auf differentielle Signalübertragung angewendet wird: Die Eigenschaft, die der differentiellen Signalübertragung zugeschrieben wird, ist, dass die nebeneinander liegende Verlegung der Paare auf einer PCB eine Ablehnung von Gleichtaktstörungen bietet. Wie in vorherigen Artikeln besprochen, ist dies nicht der Fall.

Wie die verschiedenen Arten von Logik funktionieren

Reale Logik

Bevor wir uns damit befassen, wie Single-Ended-Logik funktioniert im Vergleich zu differentieller Logik, ist es nützlich, zu überprüfen, wie reale Logik funktioniert. Dies wird in den folgenden Punkten angesprochen.

• Reale Logiksignale sind keine perfekten Rechteckwellen.
• Echte Treiber haben eine begrenzte Fähigkeit, höhere Harmonische der Taktfrequenz zu erzeugen, was in abgerundeten Kanten resultiert, wie in der Grafik auf der linken Seite von Abbildung 1 gezeigt.

• Langsamere Treiber produzieren langsamere Kanten, wie auf der rechten Seite der Grafik in Abbildung 1 zu sehen ist.

Single-Ended-Logik

Die Schlüsselbetriebsmerkmale der Single-Ended-Logik umfassen:

• Single-Ended-Logikpfade haben Eingänge, die auf die steigenden und fallenden Kanten der Logiksignale reagieren.
  • Wenn eine steigende oder fallende Kante eine Schwellenspannung (normalerweise auf halbem Weg zwischen einem Logik-1-Pegel und einem Logik-0-Pegel) durchläuft, wird eine Logikänderung erkannt.
• Wie genau das Timing der Logikänderungen ist, hängt davon ab, wie schnell oder scharf diese Kante ist.
  • Langsamere Kanten führen zu einer weniger präzisen Erkennung davon, wann sich ein Logikzustand ändert.
• Um die Logikpräzision zu bewahren, muss der Signalpfad mehrere höhere Harmonische der Taktfrequenz durchlaufen.
• Harmonische ist der Begriff, der verwendet wird, um die Verzerrung einer Sinuswelle durch andere Wellenformen, die von unterschiedlichen Frequenzen sind, zu beschreiben.

Wichtige Details bezüglich Signalharmonischen vs. Anstiegszeit und deren Auswirkung auf Single-Ended-Datenpfade

Um zu verstehen, wie einseitige Signale funktionieren, ist es hilfreich, die Rolle der Signalharmonischen im Vergleich zur Anstiegszeit zu berücksichtigen. Diese Datenpunkte umfassen:

• Die Fourier-Transformation eines Wellenform erzeugt die in der Wellenform vorhandenen Harmonischen sowie deren Amplituden.
  • Die Fourier-Analyse ist eine mathematische Operation an einer Spannungswellenform, die sie vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umwandelt oder umgekehrt.
• Das Diagramm auf der linken Seite von Abbildung 2 zeigt den Frequenzinhalt eines Logikpfades, dessen Taktfrequenz 100 MHz mit einer langsamen Anstiegszeit ist. Die Hauptkomponenten sind die ungeraden Harmonischen dieser Frequenz.

• Das Diagramm auf der rechten Seite von Abbildung 2 ist dieselbe Wellenform wie die auf der linken, jedoch mit schnelleren Anstiegs- und Abfallzeiten. Es ist zu erkennen, dass die höherfrequenten Harmonischen auf der rechten Seite viel größer sind als auf der linken.
  • Ein Signalpfad mit geringer Bandbreite würde dieses Verlangsamen der Kanten verursachen, wie auf der linken Seite von Abbildung 2 gezeigt. Dies führt zu einem weniger zuverlässigen Betrieb des einseitigen Datenpfades.

Wie ein differentielles Signal funktioniert

Abbildung 3 zeigt einen differentiellen Datenpfad.

Im Gegensatz zur Funktionsweise eines einzelnen Datenpfads umfassen die Schlüsselaspekte eines differentiellen Signals:

• Differentielle Datenpfade entscheiden, wann eine Zustandsänderung der Logik stattfindet, indem sie erkennen, wenn die beiden gleichen und entgegengesetzten Signale sich kreuzen, wie in Abbildung 4 gezeigt.

• Im Gegensatz zu einem einzelnen Datenpfad hat der differentielle Datenpfad eine andere Anforderung in Bezug auf seine Funktionsweise. Bei der differentiellen Signalübertragung liegt der Fokus auf der Präzision des Kreuzungspunktes. Sie hängt nicht von der Anstiegszeit des Signals ab.

Die markanten Punkte bezüglich des differentiellen Signals, dargestellt in Abbildung 4, sind wie folgt:

• Wie man sehen kann, hat das differentielle Signal in Abbildung 4 das Aussehen eines „Auges“.
  • Deshalb wird diese Grafik in der SI-Branche als „Augendiagramm“ bezeichnet.
• Zwei Bedingungen sind notwendig, damit ein differentieller Signalweg ordnungsgemäß funktioniert. Dazu gehören:
  • Das "Auge" muss ausreichend offen sein, damit der Empfänger den Logikzustand genau erkennen kann. (Einige Empfänger benötigen dafür nur vier oder fünf Millivolt.)
  • Ein Logikzustandswechsel wird dort erkannt, wo die Signale sich kreuzen. Die Bewegung, die mit diesem Wechsel verbunden ist, darf nicht zu stark hin und her schwanken. Tritt dies zu oft auf, ist das Ergebnis ein Jitter, und das Signal wird sich verschlechtern.
  • Die vorherigen Bedingungen sind erfüllt, wenn das Signal wenig mehr als eine Sinuswelle oder die erste Harmonische der Uhrenfrequenz ist.

Aufgrund des Vorhergehenden können folgende Feststellungen über die Bandbreitenanforderungen von differentiellen Signalen getroffen werden. Diese Feststellungen umfassen:

• Auf der Grundlage der vorherigen Diskussion bezüglich Abbildung 4 kann festgestellt werden, dass die Bandbreitenanforderungen eines differentiellen Signalwegs viel weniger anspruchsvoll sind als für einen einseitigen Datenpfad mit einer ähnlichen Frequenz.
• Erfolgreiche Signalübertragung mit einem differentiellen Datenpfad erfordert eine Pfadbandbreite, die nur ein wenig mehr als die Taktfrequenz beträgt.
  • Als Beispiel hat ein 6,125 Gb/s Datenpfad eine Taktfrequenz von 3,0625 GHz. Ein Datenpfad mit einer Bandbreite, die etwas mehr als 3 GHz beträgt, wird bei dieser Datenrate ordnungsgemäß funktionieren.
• Ein einseitiger Datenpfad derselben Datenrate würde eine Bandbreite von etwa 40 GHz benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Zusammenfassung

Im Gegensatz zur einseitigen Signalübertragung sind die Bandbreitenanforderungen für einen differentiellen Signalübertragungspfad viel weniger anspruchsvoll als die für einen einseitigen Signalübertragungspfad, der mit derselben Frequenz arbeitet. Differentielle Signalübertragung bietet eine signifikante Anzahl von Vorteilen in Bezug auf einen konstanten Lastpfad und Strom; Signale und Ströme, die gleich und in entgegengesetzte Richtungen sind; Signale, die nicht dieselbe Menge an eingestreutem Rauschen wie einseitige Signale erhalten; einen Empfänger, der die Probleme eliminiert, die aus Erdungsabfällen oder Versorgungsspannungsverschiebungen zwischen Komponenten entstehen und Signale, die mit viel höheren Geschwindigkeiten als einseitige Signale arbeiten.

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Referenzen:

1. Ritchey, Lee W., und Zasio, John J., Gleich beim ersten Mal, Ein praktisches Handbuch über High-Speed-PCB- und Systemdesign, Band 1 und 2.
2. Speeding Edge 3-Tages-Kurs, „Signalintegrität und Systemdesign und Erreichen von 32 Gb/s, Wie man sehr schnelle differentielle Paare entwirft.“
3. Speeding Edge 1-Tages-Kurs, „Erreichen von 32Gb/s Wie man sehr schnelle differentielle Paare entwirft.“