Читать книгу Сохранение целостности сигналов в печатных платах. Практические рекомендации - Андрей Васильевич Трундов - Страница 7

Линии передачи могут быть одиночными или синфазными, где электромагнитная волна распространяется между сигнальным и опорным проводником. Линии передачи могут быть дифференциальными, где сигналы в двух сигнальных проводах имеют одинаковую форму и разную полярность, и каждый из двух проводов является «опорным» для другого. Энергия электрического поля электромагнитной волны в дифференциальных линиях сосредоточена между ее проводниками. Вокруг них формируются силовые линии магнитного поля с разным направлением вращения, что приводит к взаимной компенсации векторов напряженности магнитного поля и значительному снижению уровня собственных излучений, поскольку при компенсации магнитных составляющих будут ослаблены и порождаемые ими электрические составляющие электромагнитного поля.

Дифференциальный приемник срабатывает на разницу напряжений в прямом и обратном проводе и имеет значительный коэффициент ослабления синфазных составляющих (КОСС) помех, которые в каждом отдельном проводнике дифференциальной пары близки по амплитуде и имеют одинаковую полярность (значение при вычитании помех в приемнике близко к нулю).

Дополнительно можно отметить, чтов интерфейсах с дифференциальными стандартами сигналов уровни напряжений часто оказываются ниже, чем уровни напряжений в интерфейсах с синфазными сигналами. Например, в интерфейсе UART с сигналами КМОП уровень логической единицы может достигать напряжения питания +3,3В, в то время как в интерфейсах с сигналами LVDS размах напряжения в дифференциальной линии составляет всего 0,4В, что почти на порядок ниже уровня сигнала КМОП. Энергия излучения, в свою очередь, пропорциональна квадрату напряжения.

Благодаря низкой излучающей способности и высокой помехоустойчивости дифференциальных линий передачи, даже при более бликом их расположении по отношению друг к другу, по сравнению с одиночными линиями передачи, уровень перекрестных наводок будет значительно снижен. Подробный анализ представлен в главе «Пример оценки влияния перекрестных наводок».

Ниже перечислены достоинства дифференциальной линии передачи по сравнению с одиночной линией.

1. Низкий уровень собственных излучений, благодаря взаимной компенсации равных по значению и обратных по направлению векторов магнитной индукции.

2. Высокая устойчивость к воздействию внешних помех, шумов в цепях электропитания, дребезгу земли.

3. Возможность выполнения линии без опорного потенциала в изолированных интерфейсах, в связи с чем требования к однородности линии выполняются проще (не нужно следить за нарушением пути протекания возвратного тока в опорном слое).

4. Возможность передачи сигналов с меньшим значением амплитуд (благодаря повышенной помехоустойчивости).

5. Простое согласование линии передачи с нагрузкой (нужен один терминирующий резистор, который одновременно может являться сопротивлением нагрузки, например, в интерфейсе LVDS).

6. Снижение требований к форме импульса. Приемник срабатывает на разность напряжений и основным требованием является требование к монотонности (линейности) фронта/спада импульса. Допустимо передавать сигнал с ограниченным спектром. Это еще больше снизит уровень собственных излучений.

7. Расстояние между двумя дифференциальными парами можно снижать до размера ширины одиночного проводника. При этом уровень перекрестных наводок будет соизмерим с уровнем наводок между соседними синфазными линиями, расположенными на расстоянии 5d.

8. Упрощение требований к кабелям. Возможность использования недорогой витой пары, плоских и коаксиальных кабелей при организации слабой связи между отдельными проводниками дифференциальной пары.

Перечисленные выше свойства определяют низкую излучающую способность и высокую помехоустойчивость дифференциальных линий, что делает их незаменимыми при решении задачи улучшения электромагнитной совместимости и повышении отношения сигнал/шум.

Достаточно часто в дифференциальных линиях используется дополнительный экранирующий или земляной проводник, слой, оплетка кабеля. Во-первых, земляной проводник применяется для повышения помехоустойчивости линии передачи. Во-вторых, опорный проводник может служить путем протекания обратного тока для синфазного постоянного напряжения, опорного уровня для изменяющегося дифференциального сигнала (например, в стандарте TIA/EIA-644 LVDS).