Exigences de bande passante pour les signaux simple extrémité vs différentiels

Comme mentionné dans un article précédent, avec les lignes de transmission terminées en série, les signaux différentiels servent de liens pour la plupart des dispositifs CMOS. L'une des principales différences entre les signaux à terminaison unique et les signaux différentiels est que les exigences en bande passante d'un chemin de signalisation différentielle sont beaucoup moins exigeantes que celles requises pour un chemin de signalisation à terminaison unique fonctionnant à la même fréquence. Cet article fournit un aperçu des avantages de la signalisation différentielle et de son fonctionnement dans un produit électronique en service.

Un bref aperçu des avantages de la signalisation différentielle

Le premier point de données concernant les signaux différentiels est qu'ils ont généralement une amplitude de signal beaucoup plus petite que les signaux à terminaison unique et sont presque toujours terminés en parallèle. Cela résulte en une charge de courant totale presque constante alors qu'elle change de direction sur les fils du signal. Les avantages spécifiques des signaux différentiels comprennent :

• La charge de puissance est constante et en courant.
• Le courant du signal et le courant de retour pour les deux fils sont égaux et en directions opposées.
  • Cela produit un courant total constant sur les interfaces de paquet.
• Étant donné que les deux lignes en signalisation différentielle se déplacent en parallèle, elles ont tendance à recevoir la même quantité de bruit injecté par couplage avec le plan sur lequel elles se déplacent.
  • Les signaux différentiels ne reçoivent pas la même quantité de couplage de bruit provenant des pistes adjacentes.
• Le récepteur différentiel élimine les problèmes résultant de chutes de tension de masse ou de décalages d'alimentation entre composants.
• Les signaux différentiels peuvent fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées que les signaux à terminaison unique.

Compte tenu de ce qui précède, il semblerait que l'utilisation de signaux différentiels soit une évidence. Cependant, il y a un inconvénient : ils nécessitent la sérialisation des données à une extrémité et la désérialisation des données à l'autre extrémité.

Il existe également une idée fausse couramment appliquée à la signalisation différentielle : la caractéristique attribuée à la signalisation différentielle est que le routage côte à côte des paires dans un PCB offre un rejet du bruit en mode commun. Comme discuté dans des articles précédents, ce n'est pas le cas.

Comment Les Différents Types de Logique Fonctionnent

Logique Réelle

Avant de plonger dans le fonctionnement de la logique à terminaison unique par rapport à la logique différentielle, il est utile de revoir comment fonctionne la logique réelle. Ceci est abordé dans les points suivants.

• Les signaux de logique réelle ne sont pas des ondes carrées parfaites.
• Les véritables pilotes ont une capacité limitée à générer des harmoniques supérieures de la fréquence d'horloge, résultant en des bords arrondis, comme montré dans le graphique sur le côté gauche de la Figure 1.

• Les pilotes plus lents produisent des bords plus lents comme on peut le voir sur le côté droit du graphique dans la Figure 1.

Logique à Terminaison Unique

Les caractéristiques opérationnelles clés de la logique à terminaison unique comprennent :

• Les chemins de la logique à terminaison unique ont des entrées qui répondent aux bords montants et descendants des signaux logiques.
  • Lorsqu'un bord montant ou descendant passe à travers une tension de seuil (généralement à mi-chemin entre un niveau logique 1 et un niveau logique 0), un changement logique est détecté.
• La précision du timing des changements logiques dépend de la rapidité ou de l'acuité de ce bord.
  • Des bords plus lents résultent en une détection moins précise de quand un état logique change.
• Pour préserver la précision logique, le chemin du signal doit passer plusieurs harmoniques supérieures de la fréquence d'horloge.
• Le terme harmoniques est utilisé pour décrire la distorsion d'une onde sinusoïdale par d'autres formes d'ondes qui sont de fréquences différentes.

Détails Importants Concernant les Harmoniques du Signal vs. le Temps de Montée et Leur Impact sur les Chemins de Données à Terminaison Unique

Pour comprendre comment fonctionnent les signaux à terminaison unique, il est utile de prendre en compte le rôle des harmoniques du signal par rapport au temps de montée. Ces points de données incluent :

• La transformation de Fourier d'une forme d'onde produit les harmoniques présentes dans la forme d'onde ainsi que leurs amplitudes.
  • L'analyse de Fourier est une opération mathématique sur une forme d'onde de tension qui la convertit du domaine temporel au domaine fréquentiel ou inversement.
• Le diagramme sur le côté gauche de la Figure 2 montre le contenu fréquentiel d'un chemin logique dont la fréquence d'horloge est de 100 MHz avec un temps de montée lent. Les composants principaux sont les harmoniques impairs de cette fréquence.

• Le diagramme sur le côté droit de la Figure 2 est la même forme d'onde que celle de gauche mais avec des temps de montée et de descente plus rapides. On peut voir que les harmoniques de fréquence plus élevée sont beaucoup plus importantes du côté droit que du gauche.
  • Un chemin de signal à faible bande passante provoquerait ce ralentissement des bords comme montré sur le côté gauche de la Figure 2. Cela résulte en un fonctionnement moins fiable du chemin de données à terminaison unique.

Comment fonctionne un signal différentiel

La Figure 3 représente un chemin de données différentiel.

Contrairement à la manière dont un chemin de données à terminaison unique fonctionne, les aspects clés du fonctionnement d'un signal différentiel comprennent :

• Les chemins de données différentiels décident quand un changement d'état logique se produit en détectant quand les deux signaux égaux et opposés se croisent comme montré dans la Figure 4.

• Contrairement à un chemin de données à terminaison unique, le chemin de données différentiel a une exigence différente en termes de fonctionnement. Avec la signalisation différentielle, l'accent est mis sur la précision du croisement. Cela ne dépend pas du temps de montée du signal.

Les points saillants concernant le signal différentiel montré dans la Figure 4 sont les suivants :

• Comme on peut le voir, le signal différentiel dans la Figure 4 a l'apparence d'un “œil”.
  • C'est pourquoi ce graphique est appelé un “diagramme de l'œil” dans l'industrie de l'IS (Intégrité du Signal).
• Deux conditions sont nécessaires pour qu'un chemin de signal différentiel fonctionne correctement. Elles comprennent :
  • L'« œil » doit être suffisamment ouvert pour permettre au récepteur de détecter l'état logique de manière précise. (Certains récepteurs n'ont besoin que de quatre ou cinq millivolts pour y parvenir.)
  • Un changement d'état logique est détecté là où les signaux se croisent. Le mouvement associé à ce changement ne doit pas trop osciller. S'il se produit trop souvent, le résultat sera un jitter, et le signal se dégradera.
  • Les conditions précédentes sont remplies lorsque le signal est peu plus qu'une onde sinusoïdale ou la première harmonique de la fréquence d'horloge.

Sur la base de ce qui précède, les déterminations suivantes peuvent être faites concernant les exigences de bande passante des signaux différentiels. Ces déterminations comprennent :

• Sur la base de la discussion précédente concernant la Figure 4, il peut être déterminé que les exigences de bande passante d'un chemin de signalisation différentiel sont beaucoup moins exigeantes que pour un chemin de données à extrémité unique avec une fréquence similaire.
• Une signalisation réussie avec un chemin de données différentiel nécessite une bande passante du chemin juste un peu plus élevée que la fréquence d'horloge.
  • À titre d'exemple, un chemin de données de 6,125 Gb/s a une fréquence d'horloge de 3,0625 GHz. Un chemin de données avec une bande passante un peu plus élevée que 3 GHz fonctionnera correctement à ce débit de données.
• Un chemin de données à terminaison unique avec le même débit de données nécessiterait une bande passante d'environ 40 GHz pour fonctionner correctement.

Résumé

Contrairement à la signalisation à terminaison unique, les exigences de bande passante pour un chemin de signalisation différentielle sont beaucoup moins exigeantes que celles requises pour un chemin de signalisation à terminaison unique fonctionnant à la même fréquence. La signalisation différentielle offre un nombre significatif d'avantages en termes de chemin de charge qui est constant et de courant ; de signal et de courants qui sont égaux et en directions opposées ; de signaux qui ne reçoivent pas la même quantité de bruit injecté que les signaux à terminaison unique ; d'un récepteur qui élimine les problèmes découlant des chutes de tension de terre ou des décalages d'alimentation entre composants et de signaux qui fonctionnent à des vitesses beaucoup plus élevées que les signaux à terminaison unique.

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Références :

1. Ritchey, Lee W., et Zasio, John J., Bien du Premier Coup, Un Manuel Pratique sur la Conception de PCB et de Systèmes Haute Vitesse, Volumes 1 et 2.
2. Formation de 3 jours par Speeding Edge, « Intégrité du Signal et Conception de Système et Atteindre 32 Gb/s, Comment Concevoir des Paires Différentielles Très Haute Vitesse. »
3. Formation d'une journée par Speeding Edge, « Atteindre 32Gb/s Comment Concevoir des Paires Différentielles Très Haute Vitesse. »