La señalización diferencial es un método para transmitir información eléctricamente utilizando dos señales complementarias . La técnica envía la misma señal eléctrica como un par diferencial de señales, cada una en su propio conductor. El par de conductores puede ser hilos de un par trenzado o cable de cinta o trazas en una placa de circuito impreso .
El circuito de recepción responde a la diferencia eléctrica entre las dos señales, en lugar de a la diferencia entre un solo cable y tierra . Dado que la interferencia externa tiende a afectar a ambos conductores de manera idéntica, el circuito receptor no se ve afectado por ella. De manera similar, las señales transmitidas de polaridad igual y opuesta tienden a cancelar, lo que resulta en una emisión reducida que podría afectar los circuitos cercanos.
Ventajas
Siempre que las impedancias de dos conductores en un circuito sean iguales (está balanceado ), la interferencia electromagnética externa tiende a afectar a ambos conductores de manera idéntica. Dado que el circuito receptor solo detecta la diferencia entre los cables, la técnica resiste el ruido electromagnético en comparación con un conductor con una referencia no balanceada (conexión a tierra de Ω bajo).
Contrariamente a la creencia popular, la señalización diferencial no afecta la cancelación de ruido. Las líneas balanceadas con receptores diferenciales rechazarán el ruido independientemente de si la señal es diferencial o de un solo extremo, pero dado que el rechazo de ruido de línea balanceada requiere un receptor diferencial de todos modos, la señalización diferencial se usa a menudo en líneas balanceadas. Esto mejora la SNR, reduce la EMI y hace que la señal sea más inmune a las corrientes de tierra o las diferencias. [1]
La técnica funciona tanto para señalización analógica, como en audio balanceado , como en señalización digital, como en RS-422 , RS-485 , Ethernet sobre par trenzado , PCI Express , DisplayPort , HDMI y USB .
Idoneidad para su uso con electrónica de bajo voltaje
La industria de la electrónica, particularmente en dispositivos portátiles y móviles, se esfuerza continuamente por reducir el voltaje de suministro para ahorrar energía. [ cita requerida ] Un voltaje de suministro bajo, sin embargo, reduce la inmunidad al ruido. La señalización diferencial ayuda a reducir estos problemas porque, para un voltaje de suministro dado, proporciona el doble de inmunidad al ruido que un sistema de un solo extremo.
Para ver por qué, considere un sistema digital de un solo extremo con voltaje de suministro . El nivel lógico alto es y el nivel lógico bajo es 0 V. Por lo tanto, la diferencia entre los dos niveles es . Ahora considere un sistema diferencial con el mismo voltaje de suministro. La diferencia de voltaje en el estado alto, donde un cable está en y el otro a 0 V, es . La diferencia de voltaje en el estado bajo, donde se intercambian los voltajes en los cables, es. Por tanto, la diferencia entre los niveles lógicos alto y bajo es. Esto es el doble de la diferencia del sistema de un solo extremo. Si el ruido de voltaje en un cable no está correlacionado con el ruido en el otro, se necesita el doble de ruido para causar un error con el sistema diferencial que con el sistema de un solo extremo. En otras palabras, la señalización diferencial duplica la inmunidad al ruido. [ cita requerida ]
Resistencia a las interferencias electromagnéticas.
Esta ventaja no se debe directamente a la señalización diferencial en sí, sino a la práctica común de transmitir señales diferenciales en líneas balanceadas . [2] [3] Las señales de un solo extremo siguen siendo resistentes a la interferencia si las líneas están balanceadas y terminadas por un amplificador diferencial.
Comparación con la señalización de un solo extremo
En la señalización de un solo extremo, el transmisor genera un voltaje único que el receptor compara con un voltaje de referencia fijo, ambos en relación con una conexión a tierra común compartida por ambos extremos. En muchos casos, los diseños de un solo extremo no son factibles. Otra dificultad es la interferencia electromagnética que puede generar un sistema de señalización de un solo extremo que intenta operar a alta velocidad. [ cita requerida ]
Generalización: señalización de conjunto
La desventaja de la transmisión de señal diferencial es que requiere el doble de cables que la transmisión de señal de un solo extremo. La señalización de conjunto mejora esto usando cables para transmitir señales diferenciales. Para, es equivalente a la señalización diferencial.
Señalización de conjunto de dos hilos
La señalización de conjunto de dos cables codifica una señal utilizando dos cables. En el lado del codificador, usando la matriz del generador
y el vector de entrada da , las dos señales a transmitir.
En el lado del decodificador, usando la matriz de control
y el vector de entrada da el vector inicial .
Sin embargo, solo es insensible a las interferencias de modo común, mientras que es muy sensible a las interferencias de modo común. Eliminando del cálculo da una señalización diferencial normal:
- y
Señalización de conjunto de cuatro hilos
La señalización de conjunto de cuatro cables codifica tres señales utilizando cuatro cables. En el lado del codificador, usando la matriz del generador
y el vector de entrada da , las cuatro señales a transmitir.
En el lado del decodificador, usando la matriz de control
y el vector de entrada da el vector inicial .
Sin embargo, , y son insensibles a las interferencias de modo común, mientras que es muy sensible a la interferencia de modo común. Eliminando del cálculo se obtienen las matrices para la señalización de conjunto utilizando cuatro cables para transmitir tres señales de forma diferencial.
- y
-señalización de conjunto de cables
-códigos de señalización de conjunto de cables señales usando alambres.
y
Usos de pares diferenciales
La técnica minimiza electrónica de diafonía y la interferencia electromagnética , tanto el ruido de emisión y aceptación de ruido, y se puede lograr una constante o conocida impedancia característica , permitiendo de adaptación de impedancia técnicas importantes en una señal de alta velocidad de línea de transmisión o de alta calidad de línea equilibrada y circuito equilibrado trayectoria de la señal de audio .
Los pares diferenciales incluyen:
- cables de par trenzado, apantallados y no apantallados
- microcinta y línea de cinta diferencial par técnicas de enrutamiento en placas de circuito impreso
Los pares diferenciales generalmente transportan señales diferenciales o semidiferenciales, como interfaces seriales digitales de alta velocidad que incluyen ECL diferencial LVDS , PECL , LVPECL , Hypertransport , Ethernet sobre par trenzado , Interfaz digital serial , RS-422 , RS-485 , USB , Serial ATA , TMDS , FireWire y HDMI, etc. o bien señales analógicas de alta calidad y / o alta frecuencia (por ejemplo, señales de video , señales de audio balanceadas , etc.).
Ejemplos de velocidad de datos
Las velocidades de datos de algunas interfaces implementadas con pares diferenciales incluyen lo siguiente:
- Serie ATA : 1,5 Gbit / s
- Hipertransporte : 1,6 Gbit / s
- Infiniband : 2,5 Gbit / s
- PCI Express : 2,5 Gbit / s
- Revisión de Serial ATA 2.0 - 2.4 Gbit / s
- XAUI : 3,125 Gbit / s
- Revisión de Serial ATA 3.0 - 6 Gbit / s
- PCI Express 2.0 - 5.0 Gbit / s por carril
- 10 Gigabit Ethernet : 10 Gbit / s (cuatro pares diferenciales que funcionan a 2,5 Gbit / s cada uno)
- DDR SDRAM : 3,2 Gbit / s (las luces estroboscópicas diferenciales bloquean los datos de un solo extremo)
Lineas de transmisión
El tipo de línea de transmisión que conecta dos dispositivos (chips, módulos) dicta el tipo de señalización. La señalización de un solo extremo se utiliza con cables coaxiales , en los que un conductor protege totalmente al otro del entorno. Todas las pantallas (o escudos) se combinan en una sola pieza de material para formar un terreno común. La señalización diferencial se utiliza con un par de conductores balanceados. Para cables cortos y bajas frecuencias, los dos métodos son equivalentes, por lo que se pueden usar circuitos económicos de un solo extremo con una tierra común con cables baratos. A medida que las velocidades de señalización se vuelven más rápidas, los cables comienzan a comportarse como líneas de transmisión .
Uso en computadoras
La señalización diferencial se utiliza a menudo en las computadoras para reducir la interferencia electromagnética , porque el cribado completo no es posible con microbandas y chips en las computadoras, debido a restricciones geométricas y al hecho de que el cribado no funciona en CC. Si una línea de suministro de energía de CC y una línea de señal de bajo voltaje comparten la misma tierra, la corriente de energía que regresa a través de la tierra puede inducir un voltaje significativo en ella. Una tierra de baja resistencia reduce este problema hasta cierto punto. Un par equilibrado de líneas de microbandas es una solución conveniente porque no necesita una capa de PCB adicional, como lo hace una línea de bandas . Debido a que cada línea provoca una corriente de imagen coincidente en el plano de tierra, que de todos modos se requiere para suministrar energía, el par parece cuatro líneas y, por lo tanto, tiene una distancia de diafonía más corta que un par aislado simple. De hecho, se comporta tan bien como un par trenzado. La diafonía baja es importante cuando se empaquetan muchas líneas en un espacio pequeño, como en una PCB típica.
Señalización diferencial de alto voltaje
La señalización diferencial de alto voltaje (HVD) utiliza señales de alto voltaje . En electrónica de computadoras , "alto voltaje" normalmente significa 5 voltios o más.
Las variaciones de SCSI-1 incluían una implementación de diferencial de alto voltaje (HVD) cuya longitud máxima de cable era muchas veces mayor que la de la versión de un solo extremo. El equipo SCSI , por ejemplo, permite una longitud total máxima de cable de 25 metros utilizando HVD, mientras que SCSI de un solo extremo permite una longitud máxima de cable de 1,5 a 6 metros, dependiendo de la velocidad del bus. Las versiones LVD de SCSI permiten una longitud de cable de menos de 25 m no debido al voltaje más bajo, sino porque estos estándares SCSI permiten velocidades mucho más altas que las anteriores HVD SCSI.
El término genérico señalización diferencial de alto voltaje describe una variedad de sistemas. La señalización diferencial de bajo voltaje ( LVDS ), por otro lado, es un sistema específico definido por un estándar TIA / EIA.
Ver también
- Backplanes
- Señalización de bucle de corriente
- Lógica de modo actual (CML)
- DDR SDRAM
- Amplificador diferencial
- TTL diferencial
- DisplayPort
- Humbucker
- Voltaje longitudinal
- Integridad de la señal
- señalización de un solo extremo
- Señalización diferencial minimizada de transición (TMDS)
Referencias
- ^ "El por qué y el cómo de la señalización diferencial" . www.allaboutcircuits.com . Consultado el 2 de agosto de 2019 .
- ^ Graham Blyth . "Problemas de equilibrio de audio" . Zona de aprendizaje de audio profesional . Soundcraft . Consultado el 25 de agosto de 2009 .
Seamos claros desde el principio aquí: si la impedancia de la fuente de cada una de estas señales no fuera idéntica, es decir, balanceada, el método fallaría por completo, siendo irrelevante la coincidencia de las señales de audio diferenciales, aunque deseable por consideraciones de margen.
- ^ "Parte 3: Amplificadores". Equipo de sistema de sonido (Tercera ed.). Ginebra: Comisión Electrotécnica Internacional . 2000. p. 111. IEC 602689-3: 2001.
Solo el equilibrio de impedancia de modo común del controlador, la línea y el receptor desempeña un papel en el rechazo de ruido o interferencia. Esta propiedad de rechazo de ruido o interferencia es independiente de la presencia de una señal diferencial deseada.