Sinalização diferencial - Differential signalling

Um sinal transmitido diferencialmente. Observe o aumento da amplitude na extremidade receptora.

A sinalização diferencial é um método para transmitir eletricamente informações usando dois sinais complementares . A técnica envia o mesmo sinal elétrico como um par diferencial de sinais, cada um em seu próprio condutor. O par de condutores pode ser fios em um par trançado ou cabo de fita ou traços em uma placa de circuito impresso .

Eletricamente, os dois condutores carregam sinais de tensão que são iguais em magnitude, mas de polaridade oposta. O circuito receptor responde à diferença entre os dois sinais, o que resulta em um sinal com uma magnitude duas vezes maior. Quaisquer sinais irradiados pelos condutores tendem a se cancelar, resultando em emissão reduzida que pode afetar os circuitos próximos.

Os sinais simétricos de sinalização diferencial são freqüentemente referidos como “balanceados”, mas este termo deve ser reservado para circuitos balanceados e linhas que rejeitam a interferência de modo comum quando alimentados em um receptor diferencial. A sinalização diferencial não torna uma linha balanceada, nem a rejeição de ruído em circuitos equilibrados requer sinalização diferencial.

A sinalização diferencial deve ser contrastada com a sinalização de terminação única, que aciona apenas um condutor com sinal, enquanto o outro está conectado a uma tensão de referência fixa.

Vantagens

Ao contrário da crença popular, a sinalização diferencial não afeta o cancelamento de ruído. Linhas balanceadas com receptores diferenciais rejeitarão ruído independentemente de o sinal ser diferencial ou de terminação única, mas como a rejeição de ruído de linha balanceada requer um receptor diferencial, a sinalização diferencial é freqüentemente usada em linhas balanceadas. Alguns dos benefícios da sinalização diferencial incluem:

• O campo eletromagnético em torno de uma linha diferencial é idealmente zero, o que reduz a diafonia em cabos adjacentes, útil para pares de telefone.
• Embora o nível do sinal não seja alterado devido à padronização do nível nominal , a saída máxima dos drivers diferenciais é o dobro, dando 6 dB de headroom extra .
• Aumentar a capacitância do cabo em extensões de cabos longos diminui o nível do sinal no qual as altas frequências são atenuadas. Se cada fio transportar metade da oscilação de tensão do sinal como em saídas totalmente diferenciais, então extensões de cabo mais longas podem ser usadas sem a perda de altas frequências.
• O ruído correlacionado entre os dois amplificadores (por rejeição imperfeita da fonte de alimentação , por exemplo) seria cancelado. O ruído correlacionado apareceria na linha como tensões de modo comum, a serem facilmente rejeitadas pelo receptor diferencial.
• Em frequências mais altas, a impedância de saída do amplificador de saída pode mudar, resultando em um pequeno desequilíbrio. Quando acionado no modo diferencial por dois amplificadores idênticos, essa alteração de impedância será a mesma para ambas as linhas e, portanto, cancelada.

A sinalização diferencial funciona tanto para sinalização analógica, como em áudio balanceado , quanto para sinalização digital, como em RS-422 , RS-485 , Ethernet sobre par trançado , PCI Express , DisplayPort , HDMI e USB .

Adequação para uso com eletrônicos de baixa tensão

Os amplificadores diferenciais respondem aos sinais diferenciais amplificando a diferença entre as tensões nas duas entradas do amplificador.

A indústria de eletrônicos, especialmente em dispositivos portáteis e móveis, se esforça continuamente para diminuir a tensão de alimentação para economizar energia. Uma baixa tensão de alimentação, no entanto, reduz a imunidade a ruídos. A sinalização diferencial ajuda a reduzir esses problemas porque, para uma dada tensão de alimentação, ela oferece o dobro da imunidade a ruído de um sistema de terminação única.

Para ver o motivo, considere um sistema digital de terminação única com tensão de alimentação . O nível lógico alto é e o nível lógico baixo é 0 V. A diferença entre os dois níveis é, portanto . Agora considere um sistema diferencial com a mesma tensão de alimentação. A diferença de tensão no estado alto, onde um fio está em e o outro em 0 V, é . A diferença de tensão no estado baixo, onde as tensões nos fios são trocadas, é . A diferença entre os níveis lógicos alto e baixo é, portanto . Isso é duas vezes a diferença do sistema de terminação única. Se o ruído da tensão em um fio não estiver correlacionado ao ruído do outro, será necessário o dobro do ruído para causar um erro no sistema diferencial do que no sistema de terminação única. Em outras palavras, a sinalização diferencial dobra a imunidade a ruído. ${\ displaystyle V_ {S}}$${\ displaystyle V_ {S} \,}$${\ displaystyle V_ {S} -0 \, \ mathrm {V} = V_ {S}}$${\ displaystyle V_ {S} \,}$${\ displaystyle V_ {S} -0 \, \ mathrm {V} = V_ {S}}$${\ displaystyle 0 \, \ mathrm {V} -V_ {S} = - V_ {S}}$${\ displaystyle V_ {S} - (- V_ {S}) = 2V_ {S} \,}$

Comparação com sinalização de terminação única

Na sinalização de terminação única, o transmissor gera uma única voltagem que o receptor compara com uma voltagem de referência fixa, ambas em relação a uma conexão de aterramento comum compartilhada por ambas as extremidades. Em muitos casos, projetos de terminação única não são viáveis. Outra dificuldade é a interferência eletromagnética que pode ser gerada por um sistema de sinalização de terminação única que tenta operar em alta velocidade.

Relação com interfaces balanceadas

Ao transmitir sinais de forma diferenciada entre dois equipamentos, é comum fazê-lo por meio de uma interface balanceada. Uma interface é um subsistema que contém três partes: um driver, uma linha e um receptor. Esses três componentes completam um circuito completo para um sinal viajar e as impedâncias desse circuito é o que determina se a interface como um todo está balanceada ou não: “Um circuito balanceado é um circuito de dois condutores em que ambos os condutores e todos os circuitos para conectado a eles têm a mesma impedância para aterramento e para todos os outros condutores. ” Interfaces balanceadas foram desenvolvidas como um esquema de proteção contra ruído. Em teoria, ele pode rejeitar qualquer interferência, desde que seja de modo comum (tensões que aparecem em ambos os condutores).

Existe uma grande confusão sobre o que constitui uma interface balanceada e como ela se relaciona com a sinalização diferencial. Na realidade, são dois conceitos completamente independentes: a interface balanceada refere-se a ruído e rejeição de interferência, enquanto a sinalização diferencial diz respeito a headroom e crosstalk. O equilíbrio da impedância de um circuito não determina os sinais que ele pode transportar e vice-versa.

Generalização: sinalização de conjunto

A desvantagem da transmissão de sinal diferencial é que ela requer o dobro de fios da transmissão de sinal de terminação única. A sinalização de conjunto melhora isso usando fios para transmitir sinais diferenciais. Pois , é equivalente à sinalização diferencial. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n-1}$${\ displaystyle n = 2}$

Sinalização de conjunto de dois fios

A sinalização de conjunto de dois fios codifica um sinal usando dois fios. No lado do codificador, usando a matriz geradora

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} + 1 & 1 \\ - 1 & 1 \ end {pmatrix}}}$

e o vetor de entrada fornece os dois sinais a serem transmitidos. ${\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}$${\ displaystyle y = \ mathbf {G} \ cdot x}$

No lado do decodificador, usando a matriz de controle ${\ displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^ {- 1}}$

${\ displaystyle \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} + 1/2 & -1 / 2 \\\; \; 1/2 & \; \; 1/2 \ end {pmatrix}}}$

e o vetor de entrada fornece o vetor inicial . ${\ displaystyle y}$${\ displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$

No entanto, apenas é insensível a interferências de modo comum, enquanto é altamente sensível a interferências de modo comum. A remoção do cálculo fornece a sinalização diferencial normal: ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle x_ {2}}$

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} +1 \\ - 1 \ end {pmatrix}} \;}$ e ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} + 1/2 & -1 / 2 \\\ end {pmatrix}}}$

Sinalização de conjunto de quatro fios

A sinalização de conjunto de quatro fios codifica três sinais usando quatro fios. No lado do codificador, usando a matriz geradora

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 & -1 / 3 & -1 / 3 & 1/3 \\ - 1/3 & 1 & -1 / 3 & 1/3 \\ - 1/3 & -1 / 3 & 1 & 1 / 3 \\ - 1/3 e -1 / 3 e -1 / 3 e 1/3 \ end {pmatriz}}}$

e o vetor de entrada fornece os quatro sinais a serem transmitidos. ${\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2}, x_ {3}, x_ {4})}$${\ displaystyle y = \ mathbf {G} \ cdot x}$

No lado do decodificador, usando a matriz de controle ${\ displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^ {- 1}}$

${\ displaystyle \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} 3/4 & 0 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 3/4 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 0 & 3/4 & -3 / 4 \\ 3/4 & 3/4 & 3/4 & 3 / 4 \ end {pmatrix}}}$

e o vetor de entrada fornece o vetor inicial . ${\ displaystyle y}$${\ displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$

No entanto, , e são insensíveis a interferências de modo comum, enquanto é altamente sensível à interferência de modo comum. A remoção do cálculo fornece as matrizes para a sinalização do conjunto usando quatro fios para transmitir três sinais de forma diferencial. ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle x_ {3}}$${\ displaystyle x_ {4}}$${\ displaystyle x_ {4}}$

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 & -1 / 3 & -1 / 3 \\ - 1/3 & 1 & -1 / 3 \\ - 1/3 & -1 / 3 & 1 \\ - 1 / 3 & -1 / 3 & -1 / 3 \ end {pmatrix}} \;}$ e ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} 3/4 & 0 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 3/4 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 0 & 3/4 & -3 / 4 \ end {pmatrix}}}$

${\ displaystyle n}$- sinalização de conjunto de fios

${\ displaystyle n}$A sinalização de conjunto de fios codifica os sinais usando fios. ${\ displaystyle n-1}$${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 & \ cdots & -1 / (n-1) \\\ vdots & \ ddots & \ vdots \\ - 1 / (n-1) & \ cdots & 1 \\ - 1 / (n-1) & \ cdots & -1 / (n-1) \ end {pmatrix}} \;}$ e ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} (n-1) / n & \ cdots & 0 & - (n-1) / n \\\ vdots & \ ddots & \ vdots & - (n -1) / n \\ 0 & \ cdots & (n-1) / n & - (n-1) / n \ end {pmatrix}}}$

Usos de pares diferenciais

A técnica minimiza a diafonia eletrônica e a interferência eletromagnética , tanto a emissão de ruído quanto a aceitação de ruído, e pode atingir uma impedância característica constante ou conhecida , permitindo técnicas de correspondência de impedância importantes em uma linha de transmissão de sinal de alta velocidade ou linha balanceada de alta qualidade e caminho de sinal de áudio de circuito balanceado .

Os pares diferenciais incluem:

• cabos de par trançado, blindados e não blindados
• técnicas de roteamento de par diferencial de microfita e stripline em placas de circuito impresso

Os pares diferenciais geralmente carregam sinais diferenciais ou semidiferenciais , como interfaces seriais digitais de alta velocidade, incluindo LVDS ECL diferencial , PECL , LVPECL , hipertransporte , Ethernet sobre par trançado , Interface digital serial , RS-422 , RS-485 , USB , serial ATA , TMDS , FireWire e HDMI etc. ou então sinais analógicos de alta qualidade e / ou alta frequência (por exemplo, sinais de vídeo , sinais de áudio balanceados , etc.).

Exemplos de taxa de dados

As taxas de dados de algumas interfaces implementadas com pares diferenciais incluem o seguinte:

• ATA serial - 1,5 Gbit / s
• Hipertransporte - 1,6 Gbit / s
• Infiniband - 2,5 Gbit / s
• PCI Express - 2,5 Gbit / s
• Revisão Serial ATA 2.0 - 2.4 Gbit / s
• XAUI - 3,125 Gbit / s
• Revisão 3.0 da Serial ATA - 6 Gbit / s
• PCI Express 2.0 - 5.0 Gbit / s por pista
• Ethernet de 10 Gigabit - 10 Gbit / s (quatro pares diferenciais funcionando a 2,5 Gbit / s cada)
• DDR SDRAM - 3,2 Gbit / s (strobes diferenciais travam dados de terminação única)

Linhas de transmissão

O tipo de linha de transmissão que conecta dois dispositivos (chips, módulos) geralmente dita o tipo de sinalização. A sinalização de terminação única é normalmente usada com cabos coaxiais , nos quais um condutor protege totalmente o outro do ambiente. Todas as telas (ou blindagens) são combinadas em uma única peça de material para formar um terreno comum. A sinalização diferencial, no entanto, é normalmente usada com um par balanceado de condutores. Para cabos curtos e baixas frequências, os dois métodos são equivalentes, portanto, circuitos baratos de terminação única com um aterramento comum podem ser usados ​​com cabos baratos. À medida que as velocidades de sinalização se tornam mais rápidas, os fios começam a se comportar como linhas de transmissão .

Uso em computadores

A sinalização diferencial é frequentemente usada em computadores para reduzir a interferência eletromagnética , porque a triagem completa não é possível com microtrips e chips em computadores, devido a restrições geométricas e ao fato de que a triagem não funciona em DC. Se uma linha de fonte de alimentação CC e uma linha de sinal de baixa tensão compartilham o mesmo aterramento, a corrente de alimentação retornando pelo aterramento pode induzir uma tensão significativa nela. Um aterramento de baixa resistência reduz esse problema até certo ponto. Um par balanceado de linhas de microfita é uma solução conveniente porque não precisa de uma camada de PCB adicional, como um stripline . Como cada linha causa uma corrente de imagem correspondente no plano de aterramento, que é necessária de qualquer maneira para fornecer energia, o par se parece com quatro linhas e, portanto, tem uma distância de diafonia mais curta do que um par simples isolado. Na verdade, ele se comporta tão bem quanto um par trançado. A baixa diafonia é importante quando muitas linhas são compactadas em um espaço pequeno, como em um PCB típico.

Sinalização diferencial de alta tensão

A sinalização diferencial de alta tensão (HVD) usa sinais de alta tensão . Na eletrônica de computadores , "alta tensão" normalmente significa 5 volts ou mais.

As variações do SCSI-1 incluíram uma implementação de diferencial de alta tensão (HVD) cujo comprimento máximo do cabo era muitas vezes maior do que a versão de terminação única. O equipamento SCSI , por exemplo, permite um comprimento total máximo de cabo de 25 metros usando HVD, enquanto o SCSI de terminação única permite um comprimento máximo de cabo de 1,5 a 6 metros, dependendo da velocidade do barramento. As versões LVD de SCSI permitem comprimento de cabo menor que 25 m, não por causa da voltagem mais baixa, mas porque esses padrões SCSI permitem velocidades muito mais altas do que os antigos HVD SCSI.

O termo genérico sinalização diferencial de alta tensão descreve uma variedade de sistemas. A sinalização diferencial de baixa tensão ( LVDS ), por outro lado, é um sistema específico definido por um padrão TIA / EIA.

Veja também

• Backplanes
• Sinalização de loop de corrente
• Lógica do modo atual (CML)
• DDR SDRAM
• Amplificador diferencial
• TTL diferencial
• DisplayPort
• Humbucker
• Tensão longitudinal
• Integridade do Sinal
• sinalização de terminação única
• Sinalização diferencial minimizada por transição (TMDS)

Referências