PCB Tecnico - Definizione e vantaggi della linea di segnale differenziale

Un segnale differenziale utilizza un valore numerico per rappresentare la differenza tra due grandezze fisiche. In senso stretto, tutti i segnali di tensione sono differenziali, perché una tensione può essere solo relativa a un'altra tensione. In alcuni sistemi, il sistema "terra" viene utilizzato come punto di riferimento della tensione. Quando 'terra' è utilizzato come riferimento di misurazione della tensione, questa pianificazione del segnale è chiamata single-end. Usiamo questo termine perché il segnale è rappresentato dalla tensione su un singolo conduttore.

D'altra parte, un segnale differenziale agisce su due conduttori. Il valore del segnale è la differenza di tensione tra i due conduttori. Anche se non molto necessario, il valore medio di queste due tensioni rimarrà sempre lo stesso. Usiamo un metodo per fare una metafora per i segnali differenziali. I segnali differenziali sono come due persone su un seghetto. Quando una persona viene sollevata, l'altra viene sollevata, ma la sua posizione media rimane la stessa. Continuando l'analogia del seghetto, un valore positivo può indicare che la persona a sinistra è più alta della persona a destra, mentre un valore negativo indica che la persona a destra è più alta della persona a sinistra. 0 significa che entrambe le persone sono allo stesso livello.

Figura 1 Segnale differenziale rappresentato da un seghetto

Applicate all'elettricità, queste due seghe sono rappresentate da una coppia di fili etichettati V+ e V-. Quando V+>V-, il segnale è definito come segnale positivo

Figura 2 Forma d'onda differenziale del segnale e equivalente monoterminale

Figura 2 La tensione media intorno all'oscillazione della coppia differenziale è impostata a 2.5V. Quando ogni segnale della coppia è limitato all'ampiezza 0-5V, la compensazione della coppia differenziale fornirà una gamma massima di oscillazione del segnale. Questa situazione si verifica spesso quando si opera con un singolo alimentatore da 5V.

Quando si utilizza un segnale differenziale invece di un segnale monoterminale, usiamo una coppia di fili per sostituire un singolo cavo, il che aumenta la complessità di qualsiasi circuito di interfaccia correlato. Quali vantaggi tangibili offre la segnalazione differenziale per giustificare l'aumento della complessità e dei costi?

Il primo vantaggio dei segnali differenziali è che è possibile identificare facilmente piccoli segnali perché si sta controllando la tensione di riferimento. In un sistema con un riferimento a terra e uno schema di segnale monoterminale, il valore preciso del segnale misurato dipende dalla consistenza del "terreno" nel sistema. Più lontano sono la sorgente del segnale e il ricevitore del segnale, maggiore è la possibilità di una differenza tra i loro valori locali di tensione di terra. Il valore del segnale recuperato dal segnale differenziale è in gran parte indipendente dal valore preciso del "terreno", ma entro un certo intervallo.

Il secondo grande vantaggio della segnalazione differenziale è che è altamente immune alle interferenze elettromagnetiche esterne (EMI). Una sorgente di interferenza colpisce ogni estremità di una coppia di segnali differenziali quasi nella stessa misura. Poiché la differenza di tensione determina il valore del segnale, qualsiasi interferenza simile che si verifica sui due conduttori sarà ignorata. Oltre ad essere meno sensibili alle interferenze, i segnali differenziali generano meno EMI rispetto ai segnali single-end.

Il terzo vantaggio fornito dalla segnalazione differenziale è che in un sistema di alimentazione singola è possibile elaborare segnali bipolari con facilità e precisione. Per affrontare il segnale bipolare del sistema monoterminale e monoalimentazione, dobbiamo stabilire un terreno virtuale a una tensione arbitraria (solitamente il punto intermedio) tra terra e rete. Utilizzare una tensione superiore al suolo virtuale per rappresentare il segnale positivo e una tensione inferiore al suolo virtuale per rappresentare il segnale negativo. Successivamente, la terra virtuale deve essere distribuita correttamente all'intero sistema. Per i segnali differenziali, non c'è bisogno di un terreno così virtuale, che ci permette di elaborare e propagare segnali bipolari con un alto grado di precisione senza contare sulla stabilità del terreno virtuale.