Requisiti di Larghezza di Banda per Segnali Singoli e Differenziali

Come notato in un articolo precedente, insieme alle linee di trasmissione terminate in serie, i segnali differenziali fungono da collegamenti per la maggior parte dei dispositivi CMOS. Una delle principali differenze tra i segnali a terminazione singola e i segnali differenziali è che i requisiti di larghezza di banda di un percorso di segnalazione differenziale sono molto meno esigenti di quelli richiesti per un percorso di segnalazione a terminazione singola che opera alla stessa frequenza. Questo articolo fornisce una panoramica dei benefici della segnalazione differenziale e di come funziona in un prodotto elettronico funzionante.

Una rapida panoramica dei benefici della segnalazione differenziale

Il primo dato sui segnali differenziali è che di solito hanno un'escursione del segnale molto più piccola rispetto ai segnali a terminazione singola e sono quasi sempre terminati in parallelo. Ciò comporta che la corrente totale di guida rimanga quasi costante mentre cambia direzione sui fili del segnale. I vantaggi specifici dei segnali differenziali includono:

• Il carico di potenza è costante e di corrente.
• La corrente del segnale e la corrente di ritorno per i due fili sono uguali e in direzioni opposte. Questo comporta una corrente totale costante sulle interfacce dei pacchetti.

• Poiché entrambe le linee nella segnalazione differenziale viaggiano in parallelo, tendono ad avere la stessa quantità di rumore iniettato a causa dell'accoppiamento con il piano su cui viaggiano.
  • Le segnali differenziali non ricevono la stessa quantità di accoppiamento di rumore dalle tracce adiacenti.
• Il ricevitore differenziale elimina i problemi risultanti da cadute di terra o spostamenti dell'alimentazione tra i componenti.
• Le segnali differenziali possono operare a velocità molto più elevate rispetto ai segnali a terminazione singola.

Data la precedente, sembrerebbe che l'utilizzo di segnali differenziali sia una scelta ovvia. Tuttavia, c'è uno svantaggio: richiedono la serializzazione dei dati a un'estremità e la deserializzazione all'altra.

Esiste anche un malinteso comunemente applicato alla segnalazione differenziale: la caratteristica attribuita alla segnalazione differenziale è che il routing affiancato delle coppie in un PCB fornisce il rifiuto del rumore in modo comune. Come discusso in articoli precedenti, questo non è il caso.

Come Operano i Diversi Tipi di Logica

Logica Reale

Prima di approfondire come opera la logica a terminazione singola rispetto a come opera la logica differenziale, è utile rivedere come opera la logica reale. Questo è affrontato nei punti seguenti.

• I segnali di logica reale non sono onde quadre perfette.
• I veri driver hanno una capacità limitata di generare armoniche superiori della frequenza di clock, risultando in bordi arrotondati, come mostrato nella grafica sul lato sinistro della Figura 1.

• I driver più lenti producono bordi più lenti come si vede sul lato destro della grafica nella Figura 1.

Logica a Singolo Terminale

Le principali caratteristiche operative della logica a singolo terminale includono:

• I percorsi logici a singolo terminale hanno ingressi che rispondono ai bordi crescenti e decrescenti dei segnali logici.
  • Quando un bordo crescente o decrescente attraversa una tensione di soglia (solitamente a metà strada tra un livello logico 1 e un livello logico 0), viene rilevato un cambiamento logico.
• Quanto precisamente il tempo dei cambiamenti logici dipende da quanto velocemente o nitidamente quel bordo è.
  • I bordi più lenti risultano in una meno precisa rilevazione di quando cambia uno stato logico.
• Per preservare la precisione logica, il percorso del segnale deve passare diverse armoniche superiori della frequenza di clock.
• Armoniche è il termine usato per descrivere la distorsione di un'onda sinusoidale da altre forme d'onda che sono di frequenze diverse.

Dettagli Importanti Riguardo le Armoniche del Segnale vs. Tempo di Salita e Loro Impatto sui Percorsi Dati a Singolo Terminale

Per comprendere come operano i segnali single-ended, è utile prendere in considerazione il ruolo degli armonici del segnale rispetto al tempo di salita. Questi dati includono:

• La trasformazione di Fourier di una forma d'onda produce gli armonici presenti nella forma d'onda così come le loro ampiezze.
  • L'analisi di Fourier è un'operazione matematica su una forma d'onda di tensione che la converte dal dominio temporale al dominio delle frequenze o viceversa.
• Il diagramma sul lato sinistro della Figura 2 mostra il contenuto di frequenza di un percorso logico la cui frequenza di clock è di 100 MHz con un tempo di salita lento. I componenti principali sono gli armonici dispari di questa frequenza.

• Il diagramma sul lato destro della Figura 2 è la stessa forma d'onda di quella a sinistra ma con tempi di salita e discesa più rapidi. Si può notare che gli armonici di frequenza più alta sono molto più grandi sul lato destro rispetto a quello sinistro.
  • Un percorso di segnale con bassa larghezza di banda causerebbe questo rallentamento dei bordi come mostrato sul lato sinistro della Figura 2. Questo comporta un funzionamento meno affidabile del percorso dati single-ended.

Come Funziona Un Segnale Differenziale

La Figura 3 rappresenta un percorso dati differenziale.

A differenza del funzionamento di un percorso di dati single-ended, gli aspetti chiave del funzionamento di un segnale differenziale includono:

• I percorsi di dati differenziali decidono quando avviene un cambio di stato logico rilevando quando i due segnali uguali e opposti si incrociano come mostrato in Figura 4.

• A differenza di un percorso di dati single-ended, il percorso di dati differenziale ha un requisito diverso in termini di come opera. Con la segnalazione differenziale, l'attenzione è sulla precisione dell'incrocio. Non dipende dal tempo di salita del segnale.

I punti salienti riguardanti il segnale differenziale mostrato in Figura 4 sono i seguenti:

• Come si può vedere, il segnale differenziale in Figura 4 ha l'aspetto di un "occhio".
  • Questo è il motivo per cui questa grafica è denominata "diagramma dell'occhio" nell'industria SI.
• Due condizioni sono necessarie affinché un percorso di segnale differenziale funzioni correttamente. Esse includono:
  • L'"occhio" deve essere sufficientemente aperto per permettere al ricevitore di rilevare lo stato logico in modo accurato. (Alcuni ricevitori hanno bisogno di solo quattro o cinque millivolt per farlo.)
  • Un cambio di stato logico viene rilevato dove i segnali si incrociano. Il movimento associato a questo cambiamento non deve muoversi avanti e indietro troppo. Se ciò avviene troppo spesso, il risultato sarà jitter, e il segnale si degraderà.
  • Le condizioni precedenti sono soddisfatte quando il segnale è poco più di un'onda sinusoidale o la prima armonica della frequenza di clock.

Sulla base di quanto precede, si possono fare le seguenti determinazioni riguardo ai requisiti di banda passante dei segnali differenziali. Queste determinazioni includono:

• Sulla base della discussione precedente riguardante la Figura 4, si può determinare che i requisiti di banda passante di un percorso di segnalazione differenziale sono molto meno esigenti rispetto a un percorso di dati a terminazione singola con una frequenza simile.
• Una segnalazione di successo con un percorso di dati differenziale richiede una larghezza di banda del percorso che sia appena superiore alla frequenza dell'orologio.
  • Come esempio, un percorso di dati da 6,125 Gb/S ha una frequenza di orologio di 3,0625 GHz. Un percorso di dati con una larghezza di banda che sia poco più di 3 GHz funzionerà correttamente a questa velocità di trasmissione.
• Un percorso di dati a terminazione singola con la stessa velocità di trasmissione richiederebbe una larghezza di banda di circa 40 GHz per funzionare correttamente.

Riassunto

A differenza della segnalazione a terminazione singola, i requisiti di larghezza di banda per un percorso di segnalazione differenziale sono molto meno esigenti di quelli richiesti per un percorso di segnalazione a terminazione singola che opera alla stessa frequenza. La segnalazione differenziale offre un numero significativo di vantaggi in termini di un percorso di carico che è costante e di corrente; segnali e correnti che sono uguali e in direzioni opposte; segnali che non ricevono la stessa quantità di rumore iniettato come i segnali a terminazione singola; un ricevitore che elimina i problemi derivanti da cadute di terra o spostamenti dell'alimentazione tra componenti e segnali che operano a velocità molto più elevate rispetto ai segnali a terminazione singola.

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Riferimenti:

1. Ritchey, Lee W., e Zasio, John J., Right the First Time, Un Manuale Pratico su PCB ad Alta Velocità e Progettazione di Sistemi, Volumi 1 e 2.
2. Corso di 3 giorni di Speeding Edge, "Integrità del Segnale e Progettazione di Sistemi e Raggiungere i 32 Gb/S, Come Progettare Coppie Differenziali ad Altissima Velocità."
3. Corso di 1 giorno di Speeding Edge, "Raggiungere i 32Gb/S Come Progettare Coppie Differenziali ad Altissima Velocità."