Требования к полосе пропускания для однополярных и дифференциальных сигналов

Как отмечалось в предыдущей статье, наряду с линиями передачи с последовательным оконечным сопротивлением, дифференциальные сигналы служат связующими звеньями для большинства CMOS устройств. Одно из ключевых отличий между однополярными сигналами и дифференциальными сигналами заключается в том, что требования к полосе пропускания для пути дифференциальной передачи сигналов значительно менее строгие, чем для пути передачи однополярных сигналов, работающего на той же частоте. Эта статья предоставляет обзор преимуществ дифференциальной передачи сигналов и описывает её работу в электронном продукте.

Краткий обзор преимуществ дифференциальной передачи сигналов

Первый важный момент о дифференциальных сигналах заключается в том, что они обычно имеют гораздо меньшее изменение сигнала, чем однополярные сигналы, и почти всегда имеют параллельное оконечное сопротивление. Это приводит к тому, что общий ток привода почти не изменяется при переключении направлений на сигнальных проводах. Конкретные преимущества дифференциальных сигналов включают в себя:

• Нагрузка по току постоянна и неизменна.
• Ток сигнала и возвращаемый ток для двух проводов равны и направлены в противоположные стороны.
  • Это обеспечивает постоянный общий ток на интерфейсах пакета.
• Поскольку обе линии в дифференциальной передаче сигналов движутся параллельно, они склонны получать одинаковое количество индуцированных помех от связи с плоскостью, по которой они проходят.
  • Дифференциальные сигналы не получают одинаковое количество помех от соседних дорожек.
• Дифференциальный приемник устраняет проблемы, возникающие из-за падений напряжения на земле или сдвигов питания между компонентами.
• Дифференциальные сигналы могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем однополярные сигналы.

Исходя из вышесказанного, кажется, что использование дифференциальных сигналов – это «очевидное решение». Но есть один недостаток – они требуют сериализации данных на одном конце и десериализации данных на другом.

Также существует заблуждение, которое часто приписывают дифференциальной передаче сигналов: характеристика, приписываемая дифференциальной передаче, заключается в том, что маршрутизация пар бок о бок на печатной плате обеспечивает отклонение общемодовых помех. Как обсуждалось в предыдущих статьях, это не так.

Как Работают Различные Типы Логики

Реальная Логика

Прежде чем говорить о том, как работает однополярная логика по сравнению с дифференциальной логикой, полезно рассмотреть, как работает реальная логика. Это рассматривается в следующих пунктах.

• Сигналы реальной логики не являются идеальными прямоугольными волнами.
• Реальные драйверы имеют ограниченную способность генерировать высшие гармоники тактовой частоты, что приводит к округлению краев, как показано на графике слева на Рисунке 1.

• Более медленные драйверы производят более медленные перепады, как видно на правой стороне графика на Рисунке 1.

Однополярная логика

Ключевые рабочие характеристики однополярной логики включают в себя:

• Пути однополярной логики имеют входы, которые реагируют на нарастающие и спадающие фронты логических сигналов.
  • Когда нарастающий или спадающий фронт проходит через пороговое напряжение (обычно находящееся посередине между уровнем логической единицы и логического нуля), обнаруживается изменение логического состояния.
• Точность времени изменения логики зависит от того, насколько быстро или резко происходит этот перепад.
  • Более медленные перепады приводят к менее точному обнаружению изменения логического состояния.
• Для сохранения точности логики сигнальный путь должен пропускать несколько высших гармоник тактовой частоты.
• Гармоники - это термин, который используется для описания искажения синусоидальной волны другими волнами, которые имеют разные частоты.

Важные детали относительно гармоник сигнала против времени нарастания и их влияние на однополярные пути передачи данных

.Чтобы понять, как работают однополярные сигналы, полезно учитывать роль гармоник сигнала по сравнению с временем нарастания. К этим данным относятся:

• Преобразование Фурье волновой формы выявляет присутствующие в ней гармоники, а также их амплитуды.
  • Анализ Фурье - это математическая операция над волновой формой напряжения, которая преобразует её из временного домена в частотный домен или наоборот.
• Диаграмма в левой части Рисунка 2 показывает частотный состав логического пути, частота тактирования которого составляет 100 МГц с медленным временем нарастания. Основные компоненты - нечетные гармоники этой частоты.

• Диаграмма в правой части Рисунка 2 представляет ту же волновую форму, что и на левой, но с более быстрыми временами нарастания и спада. Можно видеть, что гармоники более высокой частоты значительно больше с правой стороны, чем с левой.
  • Путь сигнала с низкой пропускной способностью приведет к замедлению фронтов, как показано в левой части Рисунка 2. Это приводит к менее надежной работе однополярного пути передачи данных.

Как работает дифференциальный сигнал

Рисунок 3 показывает дифференциальный путь передачи данных.

В отличие от работы однополярного пути передачи данных, ключевые аспекты работы дифференциального сигнала включают в себя:

• Дифференциальные пути передачи данных определяют момент изменения логического состояния, обнаруживая пересечение двух равных и противоположных сигналов, как показано на Рисунке 4.

• В отличие от однополярного пути передачи данных, для дифференциального пути существуют особые требования к его функционированию. При использовании дифференциальной передачи акцент делается на точности пересечения. Это не зависит от времени нарастания сигнала.

Основные моменты, касающиеся дифференциального сигнала, показанного на Рисунке 4, следующие:

• Как видно, дифференциальный сигнал на Рисунке 4 имеет вид "глаза".
  • Вот почему этот график называют "диаграммой глаза" в индустрии СИ (систем интеграции).
• Для нормальной работы дифференциального сигнального пути необходимы два условия. Они включают в себя:
  • «Глаз» должен быть достаточно открыт, чтобы приемник мог точно определить логическое состояние. (Некоторым приемникам для этого достаточно всего четырех или пяти милливольт.)
  • Изменение логического состояния обнаруживается в точке пересечения сигналов. Связанное с этим изменение не должно слишком много перемещаться туда-сюда. Если это происходит слишком часто, результатом будет дрожание, и сигнал ухудшится.
  • Вышеуказанные условия выполняются, когда сигнал представляет собой не что иное, как синусоиду или первую гармонику частоты тактового сигнала.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы относительно требований к полосе пропускания дифференциальных сигналов. Эти выводы включают в себя:

• Исходя из предыдущего обсуждения Рисунка 4, можно определить, что требования к полосе пропускания дифференциального сигнального пути гораздо менее строгие, чем для однополярного данных пути с аналогичной частотой.
• Успешная передача сигналов с использованием дифференциального пути данных требует полосы пропускания пути, которая немного превышает частоту тактирования.
  • К примеру, путь данных с пропускной способностью 6.125 Гбит/с имеет частоту тактирования 3.0625 ГГц. Путь данных с полосой пропускания чуть более 3 ГГц будет корректно работать на этой скорости передачи данных.
• Однопроводной путь данных с такой же скоростью передачи потребует полосы пропускания около 40 ГГц для корректной работы.

Резюме

В отличие от однопроводной передачи сигналов, требования к полосе пропускания для пути дифференциальной передачи сигналов значительно менее строгие, чем те, которые необходимы для однопроводной передачи сигналов на той же частоте. Дифференциальная передача сигналов предоставляет значительное количество преимуществ в виде постоянной нагрузочной траектории и тока; сигналов и токов, равных и направленных в противоположные стороны; сигналов, которые не получают такого же количества индуцированных помех, как однопроводные сигналы; приемника, который устраняет проблемы, возникающие из-за падений напряжения на земле или сдвигов питания между компонентами, и сигналов, которые работают на значительно более высоких скоростях, чем однопроводные сигналы.

Есть вопросы? Звоните эксперту из Altium.

Ссылки:

1. Ричи, Ли В., и Засио, Джон Дж., Верно с первого раза, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Тома 1 и 2.
2. Трехдневный курс Speeding Edge, «Целостность сигнала и проектирование системы, и достижение 32 Гб/с, Как проектировать очень высокоскоростные дифференциальные пары.»
3. Однодневный курс Speeding Edge, «Достижение 32 Гб/с Как проектировать очень высокоскоростные дифференциальные пары.»