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基本:シングルエンドおよび差動信号

Date:2022/1/6 18:58:09 Hits:


まず、差動信号とその特性について説明する前に、シングルエンド信号とは何かについていくつかの基本を学ぶ必要があります。

シングルエンドシグナリング

シングルエンド信号は、送信者から受信者に電気信号を送信するためのシンプルで一般的な方法です。 電気信号は、固定電位(通常は「グラウンド」と呼ばれる0 Vノード)を基準とする電圧(多くの場合、変動する電圧)によって送信されます。

16つの導体が信号を伝送し、17つの導体が共通の基準電位を伝送します。 信号に関連する電流は、送信機から受信機に流れ、アース接続を介して電源に戻ります。 複数の信号が送信される場合、回路には信号ごとにXNUMXつの導体とXNUMXつの共有アース接続が必要になります。 したがって、たとえば、XNUMX本の導体を使用してXNUMX本の信号を送信できます。

 

シングルエンドトポロジ

差動信号

シングルエンド信号よりも一般的ではない差動信号は、XNUMXつの情報信号を送信するためにXNUMXつの相補電圧信号を使用します。 したがって、XNUMXつの情報信号にはXNUMX対の導体が必要です。 XNUMXつは信号を伝送し、もうXNUMXつは反転信号を伝送します。

 

シングルエンドvs.ディファレンシャル:一般的なタイミング図

 

受信機は、反転信号と非反転信号の電位差を検出して情報を抽出します。 XNUMXつの電圧信号は「平衡」です。つまり、コモンモード電圧に対して等しい振幅と反対の極性を持っています。 これらの電圧に関連する戻り電流もバランスが取れているため、互いに打ち消し合います。 このため、差動信号は(理想的には)アース接続を流れる電流がゼロであると言えます。

差動信号では、送信者と受信者が必ずしも共通の地上基準を共有する必要はありません。 ただし、差動信号の使用は、送信側と受信側の接地電位の差が回路の動作に影響を与えないことを意味するものではありません。

複数の信号を送信する場合は、信号ごとに16つの導体が必要であり、すべての信号が差動の場合でも、多くの場合、アース接続を含めることが必要であるか、少なくとも有益です。 したがって、たとえば、33個の信号を送信するには17個の導体が必要になります(シングルエンド送信の場合はXNUMX個)。 これは、差動シグナリングの明らかな欠点を示しています。

 

差動シグナリングトポロジ

差動シグナリングの利点

ただし、導体数の増加を補う以上のことができる差動信号の重要な利点があります。

戻り電流なし

(理想的には)リターン電流がないため、グランドリファレンスの重要性は低くなります。 接地電位は、送信機と受信機で異なる場合もあれば、特定の許容範囲内で移動する場合もあります。 ただし、DC結合差動信号(USB、RS-485、CANなど)では、信号がインターフェイスの最大および最小許容コモンモード電圧内にとどまるようにするために、一般に共有接地電位が必要になるため、注意が必要です。

着信EMIおよびクロストークに対する耐性

EMI(電磁干渉)またはクロストーク(つまり、近くの信号によって生成されるEMI)が差動導体の外側から導入されると、反転信号と非反転信号に等しく追加されます。 受信機は、シングルエンド(つまり、接地基準)電圧ではなく、XNUMXつの信号間の電圧差に応答するため、受信機回路は干渉またはクロストークの振幅を大幅に低減します。

これが、差動信号がEMI、クロストーク、または差動ペアの両方の信号に結合するその他のノイズの影響を受けにくい理由です。

発信EMIとクロストークの削減

デジタル信号の立ち上がりエッジや立ち下がりエッジなどの急速な遷移は、大量のEMIを生成する可能性があります。 シングルエンド信号と差動信号の両方がEMIを生成しますが、差動ペアのXNUMXつの信号は、大きさが(理想的には)等しいが極性が反対の電磁界を生成します。 これは、XNUMX本の導体間の近接を維持する技術(ツイストペアケーブルの使用など)と組み合わせて、XNUMX本の導体からの放出が互いに大幅に相殺されることを保証します。

低電圧動作

シングルエンド信号は、適切な信号対雑音比(SNR)を確保するために、比較的高い電圧を維持する必要があります。 一般的なシングルエンドインターフェース電圧は3.3Vと5Vです。ノイズに対する耐性が向上しているため、差動信号はより低い電圧を使用し、適切なSNRを維持できます。 また、差動受信機のダイナミックレンジは差動ペア内の各信号のダイナミックレンジのXNUMX倍であるため、差動信号のSNRは、同等のシングルエンド実装に比べて自動的にXNUMX倍に増加します。

より低い信号電圧を使用してデータを正常に転送する機能には、いくつかの重要な利点があります。

  • より低い電源電圧を使用できます。
  • より小さな電圧遷移
    • 放射EMIを低減し、
    • 消費電力を削減し、
    • より高い動作周波数を可能にします。

ハイまたはロー状態と正確なタイミング

信号がロジックハイ状態かロジックロー状態かをどのように正確に判断するのか疑問に思ったことはありませんか? シングルエンドシステムでは、電源電圧、受信回路のしきい値特性、おそらく基準電圧の値を考慮する必要があります。 そしてもちろん、論理的高または論理的低の問題に追加の不確実性をもたらす変動と許容範囲があります。

差動信号では、論理状態の決定がより簡単です。 非反転信号の電圧が反転信号の電圧よりも高い場合は、ロジックがハイになっています。 非反転電圧が反転電圧よりも低い場合は、ロジックが低くなっています。 そして、XNUMXつの状態間の遷移は、非反転信号と反転信号が交差するポイント、つまりクロスオーバーポイントです。

これが、差動信号を伝送するワイヤまたはトレースの長さを一致させることが重要である理由のXNUMXつです。タイミング精度を最大にするには、クロスオーバーポイントを論理遷移に正確に対応させる必要がありますが、ペアのXNUMXつの導体が等しくない場合長さ、伝搬遅延の違いにより、クロスオーバーポイントがシフトします。

アプリケーション

現在、差動信号を採用している多くのインターフェース規格があります。 これらには次のものが含まれます。

  • LVDS(低電圧差動信号)
  • CML(現在のモードロジック)
  • RS485
  • RS422
  • イーサネット
  • USB
  • 高品質のバランスオーディオ

明らかに、差動信号の理論上の利点は、無数の実世界のアプリケーションでの実際の使用によって確認されています。

差動トレースをルーティングするための基本的なPCB技術

最後に、差動トレースがPCB上でどのようにルーティングされるかの基本を学びましょう。 差動信号のルーティングは少し複雑になる可能性がありますが、プロセスをより簡単にするいくつかの基本的なルールがあります。

長さと長さのマッチング–同じに保ちましょう!

差動信号は(理想的には)大きさが等しく、極性が反対です。 したがって、理想的なケースでは、正味のリターン電流はグランドを流れません。 このリターン電流がないことは良いことなので、すべてを可能な限り理想的に保ちたいと考えています。つまり、差動ペアのXNUMXつのトレースに等しい長さが必要です。

信号の立ち上がり/立ち下がり時間が長いほど(信号の周波数と混同しないでください)、トレースの長さが同じであることを確認する必要があります。 レイアウトプログラムには、差動ペアのトレースの長さを微調整するのに役立つ機能が含まれている場合があります。 同じ長さを達成するのが難しい場合は、「蛇行」テクニックを使用できます。

 

曲がりくねったトレースの例

幅と間隔–一定に保ちます!

差動導体が近いほど、信号の結合が良くなります。 生成されたEMIはより効果的にキャンセルされ、受信されたEMIは両方の信号により均等に結合します。 ですから、それらを本当に近づけるようにしてください。

干渉を避けるために、差動ペア導体を隣接する信号からできるだけ離して配線する必要があります。 トレースの幅と間隔は、ターゲットインピーダンスに応じて選択し、トレースの全長にわたって一定に保つ必要があります。 したがって、可能であれば、トレースはPCBの周りを移動するときに平行のままにする必要があります。

インピーダンス–変動を最小限に抑えます!

差動信号を使用してPCBを設計するときに行う最も重要なことのXNUMXつは、アプリケーションのターゲットインピーダンスを見つけて、それに応じて差動ペアをレイアウトすることです。 また、インピーダンスの変動をできるだけ小さくしてください。

ディファレンシャルラインのインピーダンスは、トレースの幅、トレースの結合、銅の厚さ、PCBの材料と層のスタックアップなどの要因によって異なります。 差動ペアのインピーダンスを変更するものを避けようとするときは、これらのそれぞれを考慮してください。

平面層の銅領域間のギャップに高速信号をルーティングしないでください。インピーダンスにも影響します。 グランドプレーンの不連続性を回避するようにしてください。

レイアウトの推奨事項–読んで、分析して、考え直してください。

そして、最後になりましたが、差動トレースをルーティングするときに行う必要のある非常に重要なことがXNUMXつあります。それは、差動信号を送受信しているチップのデータシートやアプリケーションノートを取得し、レイアウトの推奨事項を読み、分析することです。それらを密接に。 このようにして、特定の設計の制約内で可能な限り最良のレイアウトを実装できます。

まとめ

差動信号により、より低い電圧、良好なSNR、ノイズに対する耐性の向上、およびより高いデータレートで情報を送信できます。 一方、導体数が増えるため、標準のデジタルICではなく、専用の送信機と受信機が必要になります。

現在、差動信号はLVDS、USB、CAN、RS-485、イーサネットなどの多くの規格の一部であるため、私たち全員が(少なくとも)このテクノロジーに精通している必要があります。 実際に差動信号を使用してPCBを設計している場合は、関連するデータシートとアプリノートを参照することを忘れないでください。必要に応じて、この記事をもう一度読んでください。

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