Wymagania dotyczące przepustowości dla sygnałów jednostronnych w porównaniu do różnicowych

Jak zauważono w wcześniejszym artykule, wraz z liniami transmisyjnymi zakończonymi szeregowo, sygnały różnicowe służą jako łącza dla większości urządzeń CMOS. Jedną z kluczowych różnic między sygnałami jednostronnymi a sygnałami różnicowymi jest to, że wymagania dotyczące pasma przenoszenia ścieżki sygnału różnicowego są znacznie mniej wymagające niż te wymagane dla ścieżki sygnału jednostronnego pracującego na tej samej częstotliwości. Ten artykuł przedstawia przegląd korzyści płynących z sygnalizacji różnicowej i sposób jej działania w działającym produkcie elektronicznym.

Szybki przegląd korzyści sygnalizacji różnicowej

Pierwszą informacją na temat sygnałów różnicowych jest to, że zazwyczaj mają one znacznie mniejszą amplitudę sygnału niż sygnały jednostronne i są prawie zawsze zakończone równolegle. Skutkuje to prawie stałym całkowitym prądem napędowym, ponieważ zmienia kierunek na przewodach sygnałowych. Specyficzne zalety sygnałów różnicowych obejmują:

• Obciążenie mocy jest prądem i jest stałe.
• Prąd sygnału oraz prąd powrotny dla obu przewodów są równe i przeciwnie skierowane.
  • Skutkuje to stałym całkowitym prądem na interfejsach pakietu.
• Ponieważ obie linie w sygnalizacji różnicowej poruszają się równolegle, mają tendencję do odbierania tej samej ilości zakłóceń indukowanych przez sprzężenie z płaszczyzną, po której podróżują.
  • Sygnały różnicowe nie odbierają tej samej ilości sprzężeń zakłóceń od sąsiednich ścieżek.
• Odbiornik różnicowy eliminuje problemy wynikające z spadków napięcia uziemienia lub przesunięć zasilania między komponentami.
• Sygnały różnicowe mogą działać z znacznie wyższymi prędkościami niż sygnały jednostronne.

Biorąc pod uwagę powyższe, wydawałoby się, że używanie sygnałów różnicowych to „oczywista sprawa”. Ale jest jeden minus – wymagają one serializacji danych na jednym końcu i deserializacji danych na drugim końcu.

Istnieje również błędne przekonanie, które często jest przypisywane sygnalizacji różnicowej: cechą przypisywaną sygnalizacji różnicowej jest to, że równoległe prowadzenie par w PCB zapewnia odrzucenie zakłóceń wspólnych. Jak omówiono w poprzednich artykułach, nie jest to prawda.

Jak działają różne typy logiki

Logika rzeczywista

Zanim zagłębimy się w to, jak działa logika jednostronna w porównaniu do działania logiki różnicowej, warto przypomnieć, jak działa logika rzeczywista. Jest to omówione w następujących punktach.

• Rzeczywiste sygnały logiczne nie są idealnymi falami kwadratowymi.
• Rzeczywiści sterowniki mają ograniczoną zdolność do generowania wyższych harmonicznych częstotliwości zegara, co skutkuje zaokrąglonymi krawędziami, jak pokazano na grafice po lewej stronie Rysunku 1.

• Wolniejsze sterowniki produkują wolniejsze krawędzie, jak widać po prawej stronie grafiki na Rysunku 1.

Logika jednostronna

Podstawowe cechy operacyjne logiki jednostronnej obejmują:

• Ścieżki logiki jednostronnej mają wejścia, które reagują na narastające i opadające zbocza sygnałów logicznych.
  • Gdy narastające lub opadające zbocze przechodzi przez napięcie progowe (zazwyczaj pośrodku między poziomem logicznym 1 a poziomem logicznym 0), wykrywana jest zmiana stanu logicznego.
• Jak dokładnie zmienia się czas logiki, zależy od tego, jak szybkie lub ostre jest to zbocze.
  • Wolniejsze zbocza skutkują mniej precyzyjnym wykrywaniem zmiany stanu logicznego.
• Aby zachować precyzję logiki, ścieżka sygnału musi przechodzić przez kilka wyższych harmonicznych częstotliwości zegara.
• Harmoniczne to termin używany do opisania zniekształcenia fali sinusoidalnej przez inne formy fal o innych częstotliwościach.

Ważne szczegóły dotyczące harmonicznych sygnału vs. czas narastania i ich wpływ na jednostronne ścieżki danych

Aby zrozumieć, jak działają sygnały jednostronne, pomocne jest uwzględnienie roli harmonicznych sygnału w stosunku do czasu narastania. Te dane obejmują:

• Transformacja Fouriera przebiegu czasowego generuje obecne w nim harmoniczne oraz ich amplitudy.
  • Analiza Fouriera to operacja matematyczna na przebiegu napięcia, która konwertuje go z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości lub odwrotnie.
• Diagram po lewej stronie Rysunku 2 pokazuje zawartość częstotliwościową ścieżki logicznej, której częstotliwość zegara wynosi 100 MHz przy wolnym czasie narastania. Główne składniki to nieparzyste harmoniczne tej częstotliwości.

• Diagram po prawej stronie Rysunku 2 przedstawia ten sam przebieg co po lewej, ale z szybszymi czasami narastania i opadania. Można zauważyć, że harmoniczne wyższej częstotliwości są znacznie większe po prawej stronie niż po lewej.
  • Ścieżka sygnału o niskiej przepustowości spowodowałaby to spowolnienie zboczy, jak pokazano po lewej stronie Rysunku 2. Skutkuje to mniej niezawodną pracą jednostronnej ścieżki danych.

Jak Działa Sygnał Różnicowy

Rysunek 3 przedstawia różnicową ścieżkę danych.

W przeciwieństwie do sposobu działania pojedynczej ścieżki danych, kluczowe aspekty działania sygnału różnicowego obejmują:

• Ścieżki danych różnicowe decydują o zmianie stanu logicznego, wykrywając moment przecięcia się dwóch równych i przeciwnych sygnałów, jak pokazano na Rysunku 4.

• W przeciwieństwie do pojedynczej ścieżki danych, ścieżka danych różnicowa ma inne wymagania dotyczące sposobu działania. W przypadku sygnalizacji różnicowej, nacisk kładziony jest na precyzję przecięcia. Nie zależy to od czasu narastania sygnału.

Ważne punkty dotyczące sygnału różnicowego pokazanego na Rysunku 4 są następujące:

• Jak widać, sygnał różnicowy na Rysunku 4 ma wygląd „oka”.
  • Dlatego ta grafika jest określana mianem „diagramu oka” w branży SI.
• Dwa warunki są niezbędne, aby ścieżka sygnału różnicowego działała prawidłowo. Obejmują one:
  • "Oko" musi być wystarczająco otwarte, aby odbiornik mógł dokładnie wykryć stan logiczny. (Niektóre odbiorniki potrzebują do tego tylko czterech lub pięciu milivoltów.)
  • Zmiana stanu logicznego jest wykrywana w miejscu, gdzie sygnały się przecinają. Ruch związany z tą zmianą nie może zbyt wiele się przesuwać w tę i z powrotem. Jeśli zdarza się to zbyt często, wynikiem będzie jitter, a sygnał ulegnie degradacji.
  • Poprzednie warunki są spełnione, gdy sygnał jest niewiele więcej niż sinusem lub pierwszą harmoniczną częstotliwości zegara.

Na podstawie powyższego można dokonać następujących ustaleń dotyczących wymagań pasmowych dla sygnałów różnicowych. Te ustalenia obejmują:

• Na podstawie poprzedniej dyskusji dotyczącej Rysunku 4, można stwierdzić, że wymagania pasmowe ścieżki sygnalizacji różnicowej są znacznie mniej wymagające niż dla pojedynczej ścieżki danych o podobnej częstotliwości.
• Pomyślne sygnalizowanie przy użyciu różnicowej ścieżki danych wymaga pasma ścieżki, które jest tylko nieco większe niż częstotliwość zegara.
  • Jako przykład, ścieżka danych 6,125 Gb/s ma częstotliwość zegara 3,0625 GHz. Ścieżka danych z pasmem, które jest nieco większe niż 3 GHz, będzie prawidłowo działać przy tej prędkości transmisji danych.
• Ścieżka danych z pojedynczym zakończeniem o tej samej prędkości transmisji danych wymagałaby pasma około 40 GHz, aby działać prawidłowo.

Podsumowanie

W przeciwieństwie do sygnalizacji z pojedynczym zakończeniem, wymagania dotyczące pasma dla ścieżki sygnalizacji różnicowej są znacznie mniej wymagające niż te wymagane dla ścieżki sygnalizacji z pojedynczym zakończeniem działającej na tej samej częstotliwości. Sygnalizacja różnicowa zapewnia znaczną liczbę korzyści pod względem stałej ścieżki obciążenia i prądu; sygnałów i prądów, które są równe i przeciwnie skierowane; sygnałów, które nie odbierają takiej samej ilości zakłóceń indukowanych jak sygnały z pojedynczym zakończeniem; odbiornika, który eliminuje problemy wynikające z spadków napięcia uziemienia lub przesunięć zasilania między komponentami oraz sygnałów, które działają z znacznie wyższymi prędkościami niż sygnały z pojedynczym zakończeniem.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium.

Referencje:

1. Ritchey, Lee W., i Zasio, John J., Od razu dobrze, Praktyczny podręcznik projektowania szybkich PCB i systemów, Tom 1 i 2.
2. Kurs Speeding Edge trwający 3 dni, „Integralność sygnału i projektowanie systemu oraz osiąganie 32 Gb/s, Jak projektować bardzo szybkie pary różnicowe.”
3. Kurs Speeding Edge trwający 1 dzień, „Osiąganie 32Gb/s Jak projektować bardzo szybkie pary różnicowe.”