Was sind Differentialpaare und Differentialsignale?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: March 6, 2022
Was sind Differentialpaare und Differentialsignale?

Differentialpaare bieten eine neuartige Möglichkeit zur Weiterleitung von Bitströmen mit hoher Datenrate, bei denen jeder Flankenübergang im Allgemeinen eine sehr schnelle Anstiegszeit hat. Differentialprotokolle, die in Hochgeschwindigkeitsdesigns verwendet werden, sind das Standbein vieler gängiger Signalisierungsstandards mit bekannten Akronymen. USB, HDMI, Ethernet und viele andere werden alle als Differentialpaare geroutet und erfordern ein sorgfältiges Leiterbahndesign und Routing. In der Vergangenheit mussten dazu viele manuelle Korrekturen an den Längen der Differentialpaare vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass sie den Längenvorgaben und Impedanztoleranzen entsprechen. Mit neuerer CAD-Software ist es jedoch einfach, diese Anforderungen als Designregeln zu kodieren, um ein genaues Routing zu gewährleisten.

In diesem Artikel geben wir einen grundlegenden Überblick über das Verhalten von Differentialsignalen und die Funktion von Differentialpaaren. Diese Signaltypen sind standardmäßig in Hochgeschwindigkeits-Signalprotokollen enthalten, können aber auch in einfacheren Geräten vorkommen, und daher ist es wichtig zu verstehen, wie sie in einem PCB-Layout geroutet werden. Wir werden auch einige spezifischere Definitionen der Impedanz von Differentialpaaren und der Funktionsweise von Störungen in einem Differentialpaar bereitstellen, und wir hoffen, dass wir hiermit neuen Designern eine bessere Vorstellung von der Bedeutung von Differentialprotokollen vermitteln können.

Die Grundlagen von Differentialpaaren und Differentialsignalen

Differentialpaare sind sehr einfach: Sie bestehen aus zwei nebeneinander gerouteten Leiterbahnen, die auf jeder Leiterbahn Signale gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität führen. Bei digitalen Hochgeschwindigkeitsprotokollen werden die Daten über impedanzkontrollierte Single-Ended-Leiterbahnen in einer Leiterplatte übertragen; jede einzelne Leiterbahn ist so ausgelegt, dass sie eine bestimmte Impedanz aufweist. Dies geschieht mit Hilfe eines standardmäßigen impedanzkontrollierten Leiterbahnentwurfs, bei dem die Breite, die zum Erreichen einer Soll-Leiterbahnimpedanz erforderlich ist, nach dem Designen des Lagenaufbaus und der Auswahl der Lage für die Verlegung der Differentialpaare bestimmt wird.

Differentialsignale sind nicht unbedingt besondere Signaltypen. Alle Differentialpaare, die für die Übertragung digitaler Daten verwendet werden, übertragen nach wie vor binäre Informationen oder möglicherweise mehrere Bits auf einmal mit einem fortschrittlicheren Protokoll wie PAM4. Der Unterschied zwischen einem standardmäßigen Digitalsignal und einem Differentialsignal besteht darin, dass ein Differentialsignal auf eine andere Weise wiederhergestellt und interpretiert wird.

Betrachtet man das Signal, das sich über ein Differentialpaar ausbreitet, so sieht man zwei Signale mit entgegengesetzter Polarität, die allerdings die gleiche Größe haben. Der Signalpegel, der von einem Differentialempfänger gelesen wird, ist lediglich die Differenz zwischen den Spannungen der beiden Signale. Dies ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt.

Differenzsignale
Differentialsignale auf einem Differentialpaar, das über eine PCB-Massefläche übertragen wird.

In der obigen Abbildung wird ein Differentialpaar über eine einheitliche Massefläche geroutet. Es wird davon ausgegangen, dass diese Leitungen auf einer Oberflächenlage als impedanzkontrollierte Mikrostreifen geroutet werden, wobei genau die gleichen Ideen auch für Streifenleitungen (Striplines) auf einer Innenlage gelten. Bei der Verwendung von Komponenten, die mit Differentialsignalen arbeiten, muss die Differenz zwischen diesen beiden Signalen zur Interpretation eines logischen Pegels im Empfänger verwendet werden. Beachten Sie, dass die einzelnen Signalpegel (V1 und V2) immer noch in Bezug auf die GND-Referenz definiert sind, die im Allgemeinen als Ebene unter den Leiterbahnen angeordnet ist. Mit anderen Worten: Sie könnten das Signal in Bezug auf die Masse auf jeder Seite des Paares mit einem Oszilloskop messen, wenn Sie das wirklich wollten.

Diese Methode der Übertragung digitaler Daten (als ein Paar von Signalen mit entgegengesetzten Polarität auf einem Paar von Leiterbahnen) ist Standard bei Hochgeschwindigkeitsprotokollen wie USB, Ethernet, DDR-Takt- und Datenleitungen und einigen proprietären digitalen Signalisierungsstandards. Was hat Differentialpaare und die Übertragung von Differentialsignalen so erfolgreich gemacht, und wo liegen die Herausforderungen? Einige der wichtigsten Vor- und Nachteile sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst:

Kategorie

Vorteile

Nachteile

EMC

- Entfernung von Gleichtaktstörungen

- Sie geben Differentialstörungen ab, die von viel geringerer Stärke sind als Gleichtaktstörungen

- Die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen ist unvollkommen und hängt von der Beseitigung des Versatzes ("Skew") ab.

Hochgeschwindigkeits-EMI

- Geringe EMI von Differentialpaaren ermöglicht extrem hohe Datenraten

- Schnelle Signalflankenraten erfordern eine präzisere Verzögerungsanpassung

Masseversatz

- Differentialpaare können Masseversatz widerstehen, wenn sie über lange Strecken zwischen zwei Leiterplatten geroutet werden

- Beeinflusst die gewählte Terminierung, obwohl die On-Die-Terminierung dieses Problem für PCB-Designer löst.

Schauen wir uns diese verschiedenen Vor- und Nachteile auf einer Leiterplatte an und wie sie sich im Routing und Layout bemerkbar machen.

- Unterdrückung von Gleichtaktstörungen

Die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen ohne Verwendung jeglicher Filterung ist eine einzigartige Fähigkeit von Differentialpaaren. Die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen resultiert aus der Tatsache, dass auf einem Differentialpaar die Differenz zwischen den beiden Signalen gemessen wird, wodurch unter bestimmten Bedingungen jegliches Rauschen beseitigt werden kann.

Die folgende Abbildung zeigt schematisch, wie die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in einem Differentialpaar erreicht wird. Wenn das Rauschen innerhalb des entsprechenden Versatzes in den Empfänger eingespeist wird, kann es vom Empfänger beseitigt werden.

Gleichtaktstörungen von Differentialsignalen
Gleichtaktstörungen, die auf einem Differentialpaar empfangen werden, können beseitigt werden, wenn sie auf beiden Seiten des Paares gleich groß sind.

Der Nachteil dabei ist, dass auf beiden Seiten des Paares der gleiche Störungspegel empfangen werden muss. Dies kann bei einem Differentialpaar passieren, das über einen freien Raum über ein Kabel geleitet wird, es ist also nicht unmöglich. Das bedeutet jedoch nicht, dass Differentialpaare gegen Übersprechen auf einer Leiterplatte immun sind. Befindet sich z. B. eine Single-Ended-Leiterbahn in der Nähe eines Differentialpaares, kann sie über das beim Schalten erzeugte Magnetfeld einen Übersprechimpuls in beide Paare einkoppeln. Der Übersprechimpuls wird jedoch nicht von beiden Leiterbahnen des Paares gleichermaßen empfangen, d. h. die magnetische Feldstärke variiert. Dies hat zur Folge, dass die Störungen am Empfänger nicht beseitigt werden und ein Teil der Störungen auf einer Seite des Paares verbleiben kann. Achten Sie darauf, dass zwischen Single-Ended-Signalen und Differentialpaaren ein angemessener Abstand eingehalten wird, um zu verhindern, dass auf jeder Seite des Paares übermäßige Störungen empfangen werden.

Vom Paar ausgehende EMI

Einer der großen Vorteile von Differentialpaaren ist, dass sie wenig Störungen erzeugen. Wenn die beiden Leiterbahnen des Paares näher beieinander liegen, sind die von ihnen beim Schalten erzeugten Magnetfelder gleich und entgegengesetzt. Solange die beiden Signale gleichphasig und gleich groß sind, heben sich die von ihnen erzeugten Magnetfelder gegenseitig auf. Beachten Sie, dass das erzeugte Feld nicht überall gleich Null ist; dies ist nur entlang der Mittellinie zwischen dem Paar der Fall. Das Feld wird jedoch schwach sein und weniger Störungen in nahegelegenen Single-Ended-Leiterbahnen induzieren.

Dies ist ein weiterer Grund, warum Differentialpaare für Kanäle mit hohen Datenraten vorzuziehen sind. Serielle Protokolle, die mit hohen Datenraten (Gbps und höher) arbeiten, haben sehr schnelle Flankenübergänge bei jedem Bit. Daher wird jede Leiterbahn im Paar während dieser schnellen Flankenübergänge (hohe dI/dt-Ereignisse) starke EMI über das Magnetfeld aussenden. Bei diesen Signalen mit hoher Flankenrate kann parasitäre Kapazität  in Bezug auf nahe gelegene Leiterbahnen problematisch sein, und die Signalbandbreite kann sich bis in den hohen GHz-Bereich erstrecken.

Magnetfelder von Differenzsignalen
Differentialpaare emittieren gleiche und entgegengesetzte Magnetfelder, die sich gegenseitig aufheben und ein geringeres induktives Übersprechen erzeugen können als ein Single-Ended-Signal mit demselben dI/dt.

Obwohl Differentialpaare möglicherweise ein geringeres Übersprechen in einem benachbarten Single-Ended-Signal erzeugen, können sie differentielles Übersprechen in einem benachbarten Differentialpaar erzeugen. In diesem Fall ist es wichtig, den Abstand zwischen den Differentialpaaren sorgfältig zu optimieren. Obwohl Differentialpaare relativ immun gegen Gleichtaktstörungen sind, sind sie nicht immun gegen differentielle Störungen. Berücksichtigen Sie dies, wenn Sie Ihre Differentialpaare routen, und lassen Sie genügend Abstand zwischen den Paaren, um eine geringe Störungskopplung zwischen ihnen zu gewährleisten.

Immunität gegen Masseversatz

Der Hauptgrund für die Verwendung von Differentialpaaren in langen Verbindungen, die sich zwischen zwei Leiterplatten kreuzen können, ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber Masseversatz. Ein Masseversatz bei Wechsel- oder Gleichstrom kann als Gleichtaktstörung betrachtet werden; es handelt sich dabei um eine Störung im Signal, die auf jeder Seite des Paares in der gleichen Phase und Größe auftritt. Daher kann diese Störung auch durch den Differentialempfänger eliminiert werden. Infolgedessen liest der Empfänger die korrekte Spannung des Signals aus, da der Pegel des Differentialsignals nicht von der Potentialdifferenz zwischen zwei verschiedenen GND-Bereichen abhängt.

Wenn das übertragene Signal eine Lücke zwischen zwei unterschiedlichen Massebereichen überquert, entsteht eine Impedanzdiskontinuität zwischen den beiden Komponenten. Es ist möglich, dass ein Single-Ended-Signal von der Quelle nicht die gleiche Spannung an dem Verbraucher hat, weil die Massepotentiale in jedem Bereich unterschiedlich sind.
Wenn das übertragene Signal eine Lücke zwischen zwei unterschiedlichen Massebereichen überquert, entsteht eine Impedanzdiskontinuität zwischen den beiden Komponenten. Es ist möglich, dass ein Single-Ended-Signal von der Quelle nicht die gleiche Spannung an dem Verbraucher hat, weil die Massepotentiale in jedem Bereich unterschiedlich sind.

Wenn Sie Ihr PCB richtig entworfen haben, um Hochgeschwindigkeits-Bauteile und -Routing zu unterstützen, sollten Sie eine einheitliche Masseebene verwenden, damit Sie im gesamten Design nur ein einheitliches Massepotential haben. Obwohl Differentialpaare einem Masseversatz zwischen verschiedenen Massen in einem PCB standhalten können, sollten Designs, die mit hohen Frequenzen/Geschwindigkeiten arbeiten und Differentialpaare erfordern, in jedem Fall über eine einheitliche Masseebene geroutet werden.

Differentialpaare designen und routen

Da Differentialsignale in Standard-Computerprotokollen und für einige Peripheriegeräte mit hohen Flankenraten übertragen werden, ist in der Regel eine Impedanzkontrolle erforderlich, um die Reflexion von Wellen am Verbraucherende eines Differentialpaares zu verhindern. Alle Differentialpaare, die im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign verwendet werden, erfordern eine Anpassung der beiden Seiten des Paares, um sicherzustellen, dass jedes Polaritätssignal zur gleichen Zeit am Empfänger ankommt. Im Folgenden finden Sie einige grundlegende Tipps für die Arbeit mit Differentialpaaren:

  • Unsymmetrische und differentielle Impedanz: Die Standards für die differentielle Signalübertragung legen einige Anforderungen an die unsymmetrische und differentielle Impedanz fest, die erfüllt werden sollten, um Reflexionen zu vermeiden und eine maximale Leistungsübertragung in die Empfängerkomponente zu gewährleisten.
  • Verzögerungs- oder Längenanpassung: Die Leiterbahnlängen des Paares sollten innerhalb der im Signalisierungsstandard definierten Versatztoleranz angepasst werden. Diese kann ziemlich großzügig sein und bei einigen Standards mehrere mm betragen.
  • Einheitliche Abstände: Meiner Ansicht nach sollte der Abstand zwischen den Paaren auf den Mindestwert festgelegt werden, der die Impedanzbeschränkungen nicht verletzt. Dies trägt dazu bei, dass die abgestrahlte Gleichtakt-EMI so gering wie möglich ist und die Gleichtaktstörungen, die auf einem Paar als Übersprechen empfangen werden, auf jeder Leiterbahn des Paares nahezu die gleiche Größe haben.

Für Hochgeschwindigkeitssignale gibt es weitere Überlegungen wie Signalbandbreite und Verluste entlang der Verbindungslänge, die bei der Auswahl von Materialien und Komponenten berücksichtigt werden sollten. Die besten Routing-Tools helfen Ihnen bei der Einhaltung dieser Anforderungen, und stellen sicher, dass Ihre Design-Einstellungen als Design-Regeln kodiert sind. Zudem bieten sie Ihnen automatisierte Tools, die Impedanzberechnungen durchführen und Längenanpassungsabschnitte auf Ihrer Leiterplatte einfügen.

Wenn Sie Differentialpaare designen und routen und gleichzeitig die Integrität der Differentialsignale sicherstellen müssen, sollten Sie hierfür den vollständigen Satz an PCB-Design-, Layout- und Simulationsfunktionen in Altium Designer® verwenden. Die integrierten Designregel-Engine und Online-Simulationstools bieten Ihnen alles, was Sie brauchen, um das Differentialpaar-Routing in Ihrem PCB zu überprüfen. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, erleichtert Ihnen die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit und die gemeinsame Nutzung Ihrer Projekte.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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