Dasar-dasar: Pensinyalan Berakhir Tunggal dan Diferensial

Pertama, kita harus mempelajari beberapa dasar tentang apa itu pensinyalan ujung tunggal sebelum kita dapat membahas pensinyalan diferensial dan karakteristiknya.

Pensinyalan Berakhir Tunggal

Pensinyalan ujung tunggal adalah cara sederhana dan umum untuk mentransmisikan sinyal listrik dari pengirim ke penerima. Sinyal listrik ditransmisikan oleh tegangan (seringkali tegangan yang bervariasi), yang dirujuk ke potensial tetap, biasanya simpul 0 V yang disebut sebagai "tanah".

Satu konduktor membawa sinyal dan satu konduktor membawa potensial referensi umum. Arus yang terkait dengan sinyal bergerak dari pengirim ke penerima dan kembali ke catu daya melalui koneksi ground. Jika beberapa sinyal ditransmisikan, sirkuit akan membutuhkan satu konduktor untuk setiap sinyal ditambah satu koneksi ground bersama; jadi, misalnya, 16 sinyal dapat ditransmisikan menggunakan 17 konduktor.

 

Topologi ujung tunggal

Sinyal Diferensial

Pensinyalan diferensial, yang kurang umum daripada pensinyalan ujung tunggal, menggunakan dua sinyal tegangan komplementer untuk mentransmisikan satu sinyal informasi. Jadi satu sinyal informasi membutuhkan sepasang konduktor; satu membawa sinyal dan yang lain membawa sinyal terbalik.

 

Berakhir tunggal vs. diferensial: Diagram pengaturan waktu umum

 

Penerima mengekstrak informasi dengan mendeteksi perbedaan potensial antara sinyal terbalik dan tidak terbalik. Kedua sinyal tegangan "seimbang", yang berarti bahwa mereka memiliki amplitudo yang sama dan polaritas yang berlawanan relatif terhadap tegangan mode umum. Arus balik yang terkait dengan tegangan ini juga seimbang dan dengan demikian saling meniadakan; untuk alasan ini, kita dapat mengatakan bahwa sinyal diferensial memiliki (idealnya) arus nol yang mengalir melalui koneksi ground.

Dengan pensinyalan diferensial, pengirim dan penerima tidak perlu berbagi referensi dasar yang sama. Namun, penggunaan pensinyalan diferensial tidak berarti bahwa perbedaan potensial ground antara pengirim dan penerima tidak berpengaruh pada pengoperasian rangkaian.

Jika beberapa sinyal ditransmisikan, dua konduktor diperlukan untuk setiap sinyal, dan seringkali perlu atau setidaknya bermanfaat untuk menyertakan koneksi ground, bahkan ketika semua sinyal berbeda. Jadi, misalnya, mentransmisikan 16 sinyal akan membutuhkan 33 konduktor (dibandingkan dengan 17 untuk transmisi ujung tunggal). Ini menunjukkan kelemahan yang jelas dari pensinyalan diferensial.

 

Topologi sinyal diferensial

Manfaat Pensinyalan Diferensial

Namun, ada manfaat penting dari pensinyalan diferensial yang dapat lebih dari mengimbangi peningkatan jumlah konduktor.

Tidak Ada Arus Kembali

Karena kita (idealnya) tidak ada arus balik, referensi ground menjadi kurang penting. Potensi tanah bahkan dapat berbeda pada pengirim dan penerima atau bergerak dalam kisaran tertentu yang dapat diterima. Namun, Anda harus berhati-hati karena pensinyalan diferensial berpasangan-DC (seperti USB, RS-485, CAN) umumnya memerlukan potensi arde bersama untuk memastikan bahwa sinyal tetap berada dalam tegangan mode umum maksimum dan minimum yang diizinkan antarmuka.

Resistensi terhadap EMI dan Crosstalk yang Masuk

Jika EMI (interferensi elektromagnetik) atau crosstalk (yaitu, EMI yang dihasilkan oleh sinyal terdekat) diperkenalkan dari luar konduktor diferensial, itu ditambahkan secara merata ke sinyal terbalik dan non-terbalik. Penerima menanggapi perbedaan tegangan antara dua sinyal dan bukan tegangan ujung tunggal (yaitu, referensi tanah), dan dengan demikian sirkuit penerima akan sangat mengurangi amplitudo interferensi atau crosstalk.

Inilah sebabnya mengapa sinyal diferensial kurang sensitif terhadap EMI, crosstalk, atau noise lainnya yang dipasangkan ke kedua sinyal dari pasangan diferensial.

Pengurangan EMI Keluar dan Crosstalk

Transisi cepat, seperti naik dan turunnya tepi sinyal digital, dapat menghasilkan sejumlah besar EMI. Baik sinyal ujung tunggal dan diferensial menghasilkan EMI, tetapi kedua sinyal dalam pasangan diferensial akan menciptakan medan elektromagnetik yang (idealnya) sama besarnya tetapi berlawanan dalam polaritas. Ini, bersama dengan teknik yang menjaga jarak dekat antara dua konduktor (seperti penggunaan kabel pasangan terpilin), memastikan bahwa emisi dari dua konduktor sebagian besar akan saling menghilangkan.

Operasi Tegangan Rendah

Sinyal ujung tunggal harus mempertahankan tegangan yang relatif tinggi untuk memastikan rasio signal-to-noise (SNR) yang memadai. Tegangan antarmuka ujung tunggal yang umum adalah 3.3 V dan 5 V. Karena ketahanannya yang lebih baik terhadap kebisingan, sinyal diferensial dapat menggunakan tegangan yang lebih rendah dan tetap mempertahankan SNR yang memadai. Juga, SNR pensinyalan diferensial secara otomatis meningkat dengan faktor dua relatif terhadap implementasi ujung tunggal yang setara, karena rentang dinamis pada penerima diferensial dua kali lebih tinggi dari rentang dinamis setiap sinyal dalam pasangan diferensial.

Kemampuan untuk berhasil mentransfer data menggunakan tegangan sinyal yang lebih rendah hadir dengan beberapa manfaat penting:

• Tegangan suplai yang lebih rendah dapat digunakan.
• Transisi tegangan lebih kecil
  • mengurangi radiasi EMI,
  • mengurangi konsumsi daya, dan
  • memungkinkan frekuensi operasi yang lebih tinggi.

Status Tinggi atau Rendah dan Waktu yang Tepat

Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana tepatnya kami memutuskan apakah suatu sinyal dalam keadaan logika tinggi atau logika rendah? Dalam sistem ujung tunggal, kita harus mempertimbangkan tegangan catu daya, karakteristik ambang dari sirkuit penerima, mungkin nilai tegangan referensi. Dan tentu saja ada variasi dan toleransi, yang membawa ketidakpastian tambahan ke dalam pertanyaan logika-tinggi-atau-logika-rendah.

Dalam sinyal diferensial, menentukan keadaan logika lebih mudah. Jika tegangan sinyal non-terbalik lebih tinggi dari tegangan sinyal terbalik, Anda memiliki logika tinggi. Jika tegangan non-terbalik lebih rendah dari tegangan terbalik, Anda memiliki logika rendah. Dan transisi antara dua keadaan adalah titik di mana sinyal non-terbalik dan sinyal terbalik berpotongan—yaitu, titik persilangan.

Inilah salah satu alasan mengapa penting untuk mencocokkan panjang kabel atau jejak yang membawa sinyal diferensial: Untuk ketepatan waktu maksimum, Anda ingin titik persilangan sesuai persis dengan transisi logika, tetapi ketika dua konduktor dalam pasangan tidak sama panjang, perbedaan delay propagasi akan menyebabkan titik crossover bergeser.

Aplikasi

Saat ini ada banyak standar antarmuka yang menggunakan sinyal diferensial. Ini termasuk yang berikut:

• LVDS (Pensinyalan Diferensial Tegangan Rendah)
• CML (Logika Mode Saat Ini)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Audio seimbang berkualitas tinggi

Jelas, keuntungan teoretis dari pensinyalan diferensial telah dikonfirmasi oleh penggunaan praktis dalam aplikasi dunia nyata yang tak terhitung jumlahnya.

Teknik Dasar PCB untuk Merutekan Jejak Diferensial

Terakhir, mari pelajari dasar-dasar bagaimana jejak diferensial dirutekan pada PCB. Perutean sinyal diferensial bisa sedikit rumit, tetapi ada beberapa aturan dasar yang membuat prosesnya lebih mudah.

Pencocokan Panjang dan Panjang – Tetap Sama!

Sinyal diferensial (idealnya) sama besarnya dan berlawanan dalam polaritas. Jadi, dalam kasus yang ideal, tidak ada arus balik bersih yang akan mengalir melalui tanah. Tidak adanya arus balik ini adalah hal yang baik, jadi kami ingin menjaga semuanya seideal mungkin, dan itu berarti kami membutuhkan panjang yang sama untuk dua jejak dalam pasangan diferensial.

Semakin tinggi waktu naik/turun sinyal Anda (jangan bingung dengan frekuensi sinyal), semakin Anda harus memastikan bahwa jejak memiliki panjang yang sama. Program tata letak Anda mungkin menyertakan fitur yang membantu Anda menyempurnakan panjang jejak untuk pasangan diferensial. Jika Anda mengalami kesulitan mencapai panjang yang sama, Anda dapat menggunakan teknik "berliku-liku".

 

Contoh jejak berkelok-kelok

Lebar dan Spasi – Tetap Konstan!

Semakin dekat konduktor diferensial, semakin baik kopling sinyal. EMI yang dihasilkan akan dibatalkan secara lebih efektif, dan EMI yang diterima akan digabungkan secara lebih merata ke kedua sinyal. Jadi cobalah untuk membawa mereka benar-benar dekat.

Anda harus mengarahkan konduktor pasangan diferensial sejauh mungkin dari sinyal tetangga, untuk menghindari interferensi. Lebar dan ruang antara jejak Anda harus dipilih sesuai dengan impedansi target dan harus tetap konstan di seluruh panjang jejak. Jadi jika memungkinkan, jejak harus tetap paralel saat bergerak di sekitar PCB.

Impedansi – Minimalkan Variasi!

Salah satu hal terpenting yang harus dilakukan saat mendesain PCB dengan sinyal diferensial adalah mengetahui impedansi target untuk aplikasi Anda dan kemudian menyusun pasangan diferensial Anda sesuai dengan itu. Juga, jaga agar variasi impedansi sekecil mungkin.

Impedansi saluran diferensial Anda tergantung pada faktor-faktor seperti lebar jejak, sambungan jejak, ketebalan tembaga, dan bahan PCB serta tumpukan lapisan. Pertimbangkan masing-masing saat Anda mencoba untuk menghindari apa pun yang mengubah impedansi pasangan diferensial Anda.

Jangan mengarahkan sinyal berkecepatan tinggi melalui celah antara area tembaga pada lapisan bidang, karena ini juga memengaruhi impedansi Anda. Cobalah untuk menghindari diskontinuitas di pesawat darat.

Rekomendasi Tata Letak – Baca, Analisis, dan Pikirkan Mereka!

Dan, last but not least, ada satu hal yang sangat penting yang harus Anda lakukan saat merutekan jejak diferensial: Dapatkan lembar data dan/atau catatan aplikasi untuk chip yang mengirim atau menerima sinyal diferensial, membaca rekomendasi tata letak, dan menganalisis mereka erat. Dengan cara ini Anda dapat menerapkan tata letak terbaik dalam batasan desain tertentu.

Kesimpulan

Pensinyalan diferensial memungkinkan kita untuk mengirimkan informasi dengan voltase yang lebih rendah, SNR yang baik, peningkatan kekebalan terhadap noise, dan kecepatan data yang lebih tinggi. Di sisi lain, jumlah konduktor meningkat, dan sistem akan membutuhkan pemancar dan penerima khusus, bukan IC digital standar.

Saat ini, sinyal diferensial adalah bagian dari banyak standar, termasuk LVDS, USB, CAN, RS-485, dan Ethernet, dan dengan demikian kita semua harus (setidaknya) akrab dengan teknologi ini. Jika Anda benar-benar mendesain PCB dengan sinyal diferensial, ingatlah untuk berkonsultasi dengan lembar data dan catatan aplikasi yang relevan, dan jika perlu baca artikel ini lagi!

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan