Статья посвящена проблеме разбалансировки импедансов линий, в результате которой шум проникает в выходной сигнал.
Симметричность линий важна для стойкости к шуму при передаче дифференциального сигнала. Одной из характеристик витой пары является уровень допустимой разбалансировки. Например, на низких частотах категория 6A допускает 40 дБ поперечных потерь преобразования. Это значит, что кратковременная помеха в 1В на обеих сигнальных линиях (синфазно) создаёт в дифференциальном сигнале помеху лишь 10 мВ. Кабель низшей категории имеет более высокий коэффициент преобразования синфазной помехи в дифференциальный сигнал.
Разбалансировка в дифференциальной паре может быть вызвана компонентами, добавленными для защиты от переходных процессов. Например, иногда устанавливаются компоненты подавления выбросов напряжения (TVS) для защиты схемы от электростатического разряда, скачков напряжения или электрических импульсов. Разработчики должны проверять совместимость таких компонентов для обеспечения одинакового их влияния на каждую линию дифференциальной пары.
Второй потенциальной причиной разбалансировки импеданса дифференциальных линий является трассировка линий на печатной плате, а также разъёмы. В обоих случаях импеданс и согласование зависит от частоты рассматриваемого сигнала. Разработчики должны принимать во внимание частоту сигнала и ожидаемую величину внешних помех.
Длина линии передачи
Неравенство длин линий дифференциальной пары также является источником возникновения помех. Если помеха возникает в двух абсолютно симметричных линиях, но достигает получателя дифференциального сигнала в разное время, это рассматривается как ненулевой дифференциальный шум. Этот эффект тем сильнее, чем больше полоса пропускания (по частоте).
VB = — ½ VSIGNAL + VNOISE’ = — ½ VSIGNAL + A sin [(t+t)]
VA — VB = VSIGNAL + A {sin [t] — sin [(t+t)] }
Когда t достигает сдвига 180° в шумовом сигнале, это приводит к наихудшему случаю — результирующий дифференциальный шум имеет удвоенную амплитуду по сравнению с исходным. Но даже небольшие фазовые сдвиги могут вызывать значительный шум при преобразовании сигнала. Например, фазовый сдвиг на 1/10 радиана (около 6°) приводит к примерно 10% изменению шума на приёмном конце дифференциальной пары.
Рис. 2. Симметричные помехи, достигающие приёмник с разной задержкой, проникают в выходной сигнал
Пример. Предположим, что приёмник дифференциального сигнала в устройстве USB 2.0 обладает полосой пропускания 1 ГГц для приёма сигнала 480 Мбит/с. Если длина линий различается на 3 мм, возникает временной сдвиг 15 пс (около 1/10 радиана фазового сдвига между двумя линиями). Он может вызвать шум 10% в дифференциальном напряжении, что в свою очередь может привести к неопределённому коммутационному состоянию в приёмнике. В интерфейсах с более низкой частотой, таких как RS-485 или CAN, предъявляются не такие жесткие требования к полосе пропускания и, следовательно, чувствительности к неравенству длин дифференциальных линий.
Гистерезис повышает помехоустойчивость
Когда линии дифференциальной шины принимают требуемое логическое состояние, выходной сигнал имеет большую амплитуду, чем порог чувствительности приёмника. Запас должен быть таким, чтобы компенсировать ослабление сигнала и дифференциальный шум.
Когда передатчик пассивен, линии шины остаются уязвимыми для дифференциального шума. Эта же уязвимость присутствует при перемене логического состояния. В данных случаях стойкость к шуму определяется гистерезисом.
Рис. 3. Гистерезис повышает помехоустойчивость
Гистерезис приёмника (обычно измеряется в мВ) является индикатором устойчивости к дифференциальному шуму конкретного приёмопередатчика или другого устройства. Разработчики должны учитывать гистерезис приёмника при проектировании для работы в условиях сильных помех.
Заключение
При проектировании дифференциальных линий передачи следует рассматривать несколько источников шума: кабели, разъемы, защитные устройства, сами приёмопередатчики. Необходимо соблюдать согласование импедансов этих элементов.
Во-вторых, длина проводов должна быть одинаковой или различаться незначительно. Для высокочастотных схем важна топология платы и расположение выводов. По возможности следует выбирать приёмники с большим гистерезисом.
