Что такое дифференциальный драйвер
Основы: несимметричная и дифференциальная передачи сигналов
Во-первых, нам нужно изучить некоторые основы того, что означает несимметричная передача сигналов, прежде чем мы сможем перейти к дифференциальной передаче сигналов и ее характеристикам.
Несимметричная передача сигналов
Несимметричная передача сигналов – это простой и распространенный способ передачи электрического сигнала от отправителя к приемнику. Электрический сигнал передается с помощью напряжения (часто с помощью изменяющегося напряжения), которое измеряется относительно фиксированного потенциала, обычно узел 0 В, называемый «землей».
Один проводник переносит сигнал, и один проводник переносит общий опорный потенциал. Ток, связанный с сигналом, поступает от отправителя к приемнику и возвращается к источнику питания через соединение земли. Если передается несколько сигналов, схема потребует по одному проводнику для каждого сигнала плюс одно общее соединение земли; таким образом, например, 16 сигналов могут быть переданы с помощью 17 проводников.
Топология несимметричной передачи сигналов
Дифференциальная передача сигналов
Дифференциальная передача сигналов, являющаяся менее распространенной по сравнению с несимметричной передачей, использует два двухтактных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Таким образом, один информационный сигнал требует пары проводников; первый переносит сигнал, а второй переносит инвертированный сигнал.
Обобщенные временные диаграммы несимметричной передачи сигналов и дифференциальной передачи сигналов
Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированным и неинвертированным сигналами. Два сигнала напряжения «симметричны», что означает, что они имеют равную амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине можно сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток через соединение земли.
При дифференциальной передаче сигналов отправитель и получатель необязательно должны иметь общую опорную точку земли. Однако использование дифференциальной передачи не означает, что различия потенциалов земли у отправителя и получателя не влияют на работу схемы.
Если передается несколько сигналов, то для каждого сигнала требуется два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить соединение земли, даже если все сигналы являются дифференциальными. Так, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (для несимметричной передачи было необходимо 17). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной передачи сигналов.
Топология дифференциальной передачи сигналов
Преимущества дифференциальной передачи сигналов
Однако существуют важные преимущества дифференциальной передачи сигналов, которые могут более чем компенсировать увеличение количества проводников.
Нет обратного тока
Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, опорная земля становится менее важной. Потенциалы земли у отправителя и получателя могут даже различаться или изменяться в пределах допустимого диапазона. Тем не менее, вы должны быть осторожны, потому что дифференциальная передача сигналов со связью по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требует общего потенциала земли, чтобы сигналы оставались в пределах максимально и минимально допустимого синфазного напряжения.
Устойчивость к внешним электромагнитным помехам и перекрестным помехам
Если электромагнитные помехи (ЭМП) или перекрестные помехи (т.е. электромагнитные помехи, создаваемые соседними сигналами) вводятся извне относительно дифференциальных проводников, то они равномерно добавляются к инвертированному и неинвертированному сигналам. Приемник реагирует на разность напряжений между двумя сигналами, а не на несимметричное (т.е. относительно земли) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно уменьшит амплитуду внешних и перекрестных помех.
Вот почему дифференциальная передача сигналов менее чувствительна к внешним электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любым другим шумам, которые добавляются к обоим сигналам дифференциальной пары.
Уменьшение исходящих электромагнитных помех и перекрестных помех
Быстрые переходы, такие как нарастающий и спадающий фронты цифровых сигналов, могут генерировать значительные количества электромагнитных помех. И несимметричная передача сигналов, и дифференциальная передача сигналов генерируют электромагнитные помехи, но два сигнала в дифференциальной паре будут создавать электромагнитные поля, которые (в идеале) равны по амплитуде, но противоположны по полярности. Это в сочетании с технологиями, которые сохраняют маленькое расстояние между этими двумя проводниками (например, использование кабеля с витой парой), гарантирует, что излучения от этих двух проводников будут в значительной степени компенсировать друг друга.
Работа с низким напряжением
Несимметричные сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение для обеспечения достаточного отношения сигнал/шум (С/Ш, SNR). Наиболее распространенными напряжениями несимметричных интерфейсов являются 3,3 В и 5 В. Благодаря своей повышенной устойчивости к шуму дифференциальные сигналы могут использовать более низкие напряжения, поддерживая соответствующее отношение сигнал/шум. Кроме того, отношение сигнал/шум автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной несимметричной реализацией, поскольку динамический диапазон в дифференциальном приемнике в два раза выше динамического диапазона каждого сигнала в дифференциальной паре.
Возможность успешно передавать данные с использованием более низких напряжений сигналов имеет несколько важных преимуществ:
- могут использоваться более низковольтные источники питания;
- меньшие изменения напряжения во время переходов:
- уменьшаются излучаемые электромагнитные помехи;
- снижается потребление электроэнергии;
- допускается работа на более высоких частотах.
Высокое или низкое логическое состояние и точная синхронизация
Вы когда-нибудь задумывались над тем, как именно мы решаем, находится ли сигнал в состоянии высокого или низкого логического уровня? В несимметричных системах мы должны учитывать напряжение питания, пороговые характеристики схемы приемника и, возможно, значение опорного напряжения. И, конечно же, существуют вариации и допуски, которые вызывают дополнительную неопределенность в вопросе о высоком или низком логическом уровне.
В дифференциальных сигналах определение логического состояния является более простым. Если напряжение неинвертированного сигнала выше напряжения инвертированного сигнала, то у вас высокий логический уровень. Если неинвертированное напряжение ниже инвертированного напряжения, то у вас низкий логический уровень. Переход между этими двумя состояниями – это точка, в которой пересекаются неинвертированный и инвертированный сигналы, т.е. точка пересечения.
Это одна из причин, из-за которой важно согласовывать длины проводов или трасс, передающих дифференциальные сигналы. Для максимальной точности синхронизации необходимо, чтобы точка пересечения точно соответствовала логическому переходу; но когда два проводника в паре не равны по длине, разница в задержке распространения приведет к смещению точки пересечения.
Применения
В настоящее время существует множество стандартов интерфейсов, в которых используются дифференциальные сигналы. К ним относятся следующие:
-
(Low-Voltage Differential Signaling, Низковольтная дифференциальная передача сигналов); (Current Mode Logic, логика с токовыми переключателями); ; ; ; ; ;
- высококачественный симметричный звук.
Основные технологии разводки дифференциальных проводников на печатных платах
Наконец, давайте рассмотрим основы того, как дифференциальные проводники разводятся на печатных платах. Разводка дифференциальных сигналов может быть немного сложной, но есть некоторые основные правила, которые делают процесс более простым.
Длина и согласование длин – сохраняйте их равными!
Дифференциальные сигналы (в идеале) равны по амплитуде и противоположны по полярности. Таким образом, в идеальном случае через землю не будет протекать никакой обратный ток. Это отсутствие обратного тока – хорошо, поэтому мы хотим сохранить всё как можно более идеальным, и это означает, что нам нужны одинаковые длины двух проводников в дифференциальной паре.
Чем выше время нарастания/спада вашего сигнала (не путать с частотой сигнала), тем больше вы должны следить за тем, чтобы проводники имели одинаковую длину. Ваша программа разводки печатных плат может включать в себя функцию, которая поможет вам точно отрегулировать длину проводников для дифференциальных пар. Если вам трудно достичь равной длины, то можете использовать технику «серпантина».
Пример серпантина проводников
Ширина и интервал между проводниками – сохраняйте их постоянными!
Чем ближе дифференциальные проводники друг к другу, тем лучше будет связность сигналов. Сгенерированные электромагнитные помехи будут более эффективно компенсироваться, а принимаемые электромагнитные помехи будут более равномерно накладываться на оба сигнала. Поэтому старайтесь разводить проводники ближе друг к другу.
Вы должны разводить проводники дифференциальной пары как можно дальше от соседних сигналов, чтобы избежать помех. Ширина и расстояние между вашими проводниками должны выбираться в соответствии с целевым импедансом и должны оставаться постоянными по всей длине проводников. Поэтому, если это возможно, эти проводники должны оставаться параллельными, пока они проходят по печатной плате.
Импеданс – сведите изменения к минимуму!
Одной из наиболее важных вещей, которые необходимо сделать при проектировании печатной платы с дифференциальными сигналами, является выяснение целевого импеданса для вашего приложения, а затем разводка в соответствии с ним ваших дифференциальных пар. Кроме того, сохраняйте изменения импеданса минимальными, насколько возможно.
Импеданс вашей дифференциальной линии зависит от таких факторов, как ширина проводника, связь между проводниками, толщина меди, материал и слои печатной платы. Рассмотрите каждый из них, чтобы избежать чего-либо, что изменит импеданс вашей дифференциальной пары.
Не разводите высокоскоростные сигналы через разрывы между медными областями на слое металлизации, так как это также влияет на импеданс. Старайтесь избегать разрывов на слоях земли.
Рекомендации к компоновке – прочитайте, проанализируйте и обдумайте их!
И последнее, но не менее важное: есть одна очень важная вещь, которую вы должны выполнить при разводке дифференциальных проводников: найдите техническое описание и/или примечания к применению микросхемы, которая отправляет или принимает дифференциальный сигнал, прочитайте рекомендации по компоновке и проанализируйте их. Таким образом, вы сможете реализовать наилучшую возможную компоновку платы в рамках ограничений конкретного проекта.
Заключение
Дифференциальная передача сигналов позволяет передавать информацию с более низкими напряжениями, хорошим отношением сигнал/шум, улучшенной помехоустойчивостью к шуму и с более высокими скоростями передачи данных. С другой стороны, увеличивается количество проводников, и система будет нуждаться в специализированных передатчиках и приемниках вместо стандартных цифровых микросхем.
В настоящее время дифференциальные сигналы являются частью многих стандартов, в том числе LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и поэтому мы должны быть знакомы с этой технологией. Если вы разрабатываете печатную плату с дифференциальными сигналами, не забудьте ознакомиться с соответствующими техническими описаниями и примечаниями к применению и, если необходимо, снова прочитать эту статью!
Добавляя электрическое реактивное сопротивление в петли обратной связи схем усилителей на операционных усилителях, мы можем заставить выходное напряжение реагировать на изменения входного напряжения во времени. В соответствии с функциями математического анализа в своих названиях, интегратор создает выходное напряжение, пропорциональное произведению (умножению) входного напряжения и времени, а дифференциатор (не путать с дифференциальным) создает выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения входного напряжения.
Что такое емкость?
Емкость может быть определена как мера противодействия конденсатора изменениям напряжения. Чем больше емкость, тем больше противодействие. Конденсаторы противодействуют изменению напряжения, создавая ток в цепи: то есть они либо заряжаются, либо разряжаются в ответ на изменение прикладываемого напряжения. Таким образом, чем больше емкость конденсатора, тем больше будет его ток заряда или разряда для любой заданной скорости изменения напряжения на нем. Формула для этого довольно проста:
Зависимость тока через конденсатор от скорости изменения приложенного напряжения
Дробь dv/dt представляет собой скорость изменения напряжения во времени. Если источник постоянного напряжения на приведенной выше схеме неуклонно увеличивал бы напряжение с 15 вольт до 16 вольт в течение 1 часа, ток через конденсатор, скорее всего, был бы очень небольшим из-за очень низкой скорости изменения напряжения ( dv/dt = 1 вольт / 3600 секунд). Однако если мы будем неуклонно увеличивать напряжение с 15 вольт до 16 вольт в течение более короткого промежутка времени в 1 секунду, скорость изменения напряжения будет намного выше, и, следовательно, ток заряда будет намного выше (чтобы быть точными, выше в 3600 раз). Одинаковые изменения напряжения, но значительно отличающиеся скорости изменения приводят к значительно различающимся величинам тока в цепи.
Подставим в формулу какие-нибудь конкретные значения: если бы напряжение на конденсаторе емкостью 47 мкФ изменялось с линейной скоростью 3 вольта в секунду, то ток «через» конденсатор составлял бы (47 мкФ)(3 В/с) = 141 мкА.
Мы можем построить на операционном усилителе схему, которая измеряет изменение напряжения путем измерения тока через конденсатор и выводит напряжение, пропорциональное этому току:
Схема дифференциатора
Эффект виртуальной земли
Правая сторона конденсатора удерживается на напряжении 0 вольт из-за эффекта «виртуальной земли». Поэтому ток «через» конденсатор протекает исключительно из-за изменения входного напряжения. Неизменное входное напряжение не будет вызывать ток через C, но изменение входного напряжения будет.
Ток конденсатора проходит через резистор обратной связи, создавая на нем падение напряжения. Линейная положительная скорость изменения входного напряжения приведет к устойчивому отрицательному напряжению на выходе операционного усилителя. И наоборот, линейная отрицательная скорость изменения входного напряжения приведет к устойчивому положительному напряжению на выходе операционного усилителя. Эта инверсия полярности от входа к выходу обусловлена тем, что входной сигнал подается (по сути) на инвертирующий вход операционного усилителя, поэтому он действует как инвертирующий усилитель, рассмотренный ранее. Чем быстрее изменяется напряжение на входе (положительно или отрицательно), тем выше напряжение на выходе.
Формула для определения выходного напряжения дифференциатора следующая:
Индикаторы изменения скорости для технологического оборудования
Применение этой схемы, помимо представления функции математического анализа внутри аналогового компьютера, включает в себя индикаторы изменения скорости для измерительной аппаратуры. Одним из таких приложений индикации скорости изменения сигнала может быть мониторинг (или управление) скорости изменения температуры в печи, где слишком высокая или слишком низкая скорость повышения температуры может причинять ущерб. Постоянное напряжение, создаваемое схемой дифференциатора, может использоваться для управления компаратором, который выдает сигнал тревоги или активирует управление, если скорость изменения превысила заданный уровень.
В процессе управления производная функция используется для принятия решений управления для поддержания процесса в заданной точке путем отслеживания скорости изменения процесса во времени и принятия мер для предотвращения чрезмерных скоростей изменения, что может привести к неустойчивому состоянию. Аналоговые электронные контроллеры используют разные вариации этой схемы для выполнения производной функции.
Интегрирование
С другой стороны, существуют приложения, где нам нужна точно противоположная функция, называемая в математическом анализе интегрированием. Здесь схема на операционном усилителе будет создавать выходное напряжение, пропорциональное величине и длительности, во время которой сигнал выходного напряжения отклонялся на 0 вольт. Другими словами, постоянный входной сигнал генерирует определенную скорость изменения выходного напряжения: дифференцирование в обратном направлении. Всё, что нам нужно для этого сделать, это перемена местами резистора и конденсатора в предыдущей схеме:
Схема интегратора
Как и прежде, отрицательная обратная связь операционного усилителя гарантирует, что инвертирующих вход будет удерживаться на 0 вольт (виртуальная земля). Если входное напряжение составляет ровно 0 вольт, тока через резистор не будет, поэтому заряда конденсатора не будет, поэтому входное напряжение не изменится. Мы не можем гарантировать, какое напряжение будет на выходе, но мы можем сказать, что выходное напряжение будет постоянным.
Однако если мы приложим постоянное положительное напряжение на вход, выходное напряжение операционного усилителя упадет до отрицательного значения с линейной скоростью, пытаясь создать изменяющееся напряжение на конденсаторе, необходимое для поддержания тока, установленного разностью напряжений на резисторе. И напротив, постоянное отрицательное напряжение на входе приводит к линейно нарастающему (положительно) напряжению на выходе. Скорость изменения выходного напряжения будет пропорциональна величине входного напряжения.
Формула для определения выходного напряжения
Формула для определения выходного напряжения интегратора будет следующей:
где c – выходное напряжение во время старта (t = 0).
Одно из применений этого устройства будет заключаться в том, чтобы сохранить «общее количество» радиационного облучения, или дозы, если входное напряжение было пропорциональным сигналом, подаваемым электронным детектором излучения. Ядерная радиация может быть столь же разрушающей при низких интенсивностях в течение длительных периодов времени, как и при высоких интенсивностях в течение коротких периодов времени. Схема интегратора учитывала бы и интенсивность (величину входного напряжения), и время, генерируя выходное напряжение, представляющее полную дозу облучения.
Другое применение могло бы интегрировать сигнал, представляющий поток воды, создавая сигнал, представляющий общее количество воды, прошедшее через расходомер. Это применение интегратора иногда называют сумматором в промышленных измерительных устройствах.
Для удобства рисования сложных схем электронные усилители часто обозначаются простым треугольником, где внутренние компоненты по отдельности не представлены. Это обозначение очень удобно для случаев, когда конструкция усилителя не имеет отношения к основному назначению общей схемы, и с ним стоит ознакомиться:
Общее обозначение усилителя на схемах
Подключения +V и -V обозначают соответственно положительный и отрицательный выводы источника питания постоянного напряжения. Подключения входного и выходного напряжений показаны как одиночные проводники, поскольку предполагается, что все сигнальные напряжения в качестве опорной точки используют общее подключение, называемое землей. Часто (но не всегда!) один из выводов источника питания постоянного напряжения, положительный или отрицательный, является этой опорной точкой земли. Практическая схема усилителя (показывающая источник входного напряжения, сопротивление нагрузки и источник питания) может выглядеть так:
Практическая схема усилителя
Вы можете легко распознать назначение всей схемы без анализа реальной транзисторной конструкции усилителя: взять входной сигнал (Vвх), усилить его и подать на сопротивление нагрузки (Rнагр). Чтобы завершить приведенную выше схему, было бы полезно указать коэффициенты усиления этого усилителя (AV, AI, AP) и точки смещения Q для любого необходимого математического анализа.
Если необходимо, чтобы усилитель мог выводить на нагрузку настоящее переменное напряжение (с обратной полярностью), можно использовать раздельный источник питания постоянного напряжения, посредством чего точка земли электрически «центрируется» между +V и -V. Иногда раздельная конфигурация источников питания называется двуполярным источником питания.
Усилитель с двуполярным источником питания
Усилитель по-прежнему запитывается в целом от 30 вольт, но с раздельными источниками питания постоянного напряжения, а выходное напряжение на резисторе нагрузки может теперь колебаться от теоретического максимума +15 вольт до -15 вольт, вместо от +30 вольт до 0 вольт. Это простой способ получить от усилителя, не прибегая на выходе к емкостной или индуктивной (трансформаторной) связи, на его выходе настоящий переменный ток (AC). Пиковая амплитуда выходного сигнала этого усилителя между отсечкой и насыщением остается неизменной.
Благодаря обозначению транзисторного усилителя в большей схеме символом треугольника мы облегчаем задачу изучения и анализа более сложных усилителей и схем. Один из этих более сложных типов усилителей, который мы будем изучать, называется дифференциальным усилителем. В отличие от обычных усилителей, которые усиливают один входной сигнал (часто называемые несимметричными усилителями), дифференциальные усилители усиливают разность напряжений между двумя входными сигналами. При использовании упрощенного треугольного обозначения усилителя дифференциальный усилитель выглядит следующим образом:
Обозначение дифференциального усилителя
С левой стороны треугольного символа усилителя можно увидеть два входных вывода, а сверху и снизу – выводы питания +V и -V. Как и в другом примере, все напряжения в качестве опорной используют точку земли схемы. Обратите внимание, что один входной вывод обозначен (-), а второй обозначен (+). Поскольку дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между двумя входными сигналами, каждый вход влияет на выходное напряжение противоположным способом. Рассмотрим следующую таблицу входных/выходных напряжений для дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 4:
Формула выходного напряжения:
Увеличивающееся положительное напряжение на входе (+), как правило, приводит к более положительному выходному напряжению, и увеличивающееся положительное напряжение на входе (-), как правило, приводит к более отрицательному выходному напряжению. Аналогично, увеличивающееся отрицательное напряжение на входе (+) так же приводит к отрицательному выходному напряжению, а увеличивающееся отрицательное напряжение на входе (-) делает как раз наоборот. Из-за этой взаимосвязи между входами и полярностями вход (-) обычно называют инвертирующим входом, а вход (+) – неинвертирующим входом. Может быть, полезно подумать о дифференциальном усилителе как об источнике изменяемого напряжения, управляемом чувствительным вольтметром, таким образом:
Представление дифференциального усилителя как источника изменяемого напряжения, управляемого чувствительным вольтметром
Состояние на выходе дифференциального усилителя в зависимости от состояния на его входах
Когда полярность дифференциального напряжения соответствует маркировке инвертирующего и неинвертирующего входов, выходной сигнал будет положительным. Когда полярность дифференциального напряжения противоположна маркировкам входов, выходное напряжение будет отрицательным. Это имеет некоторое сходство с математическим знаком, отображаемым цифровыми вольтметрами на основе полярности входного напряжения. Если красный щуп вольтметра (часто называемый «положительным» выводом из-за популярности ассоциации красного цвета с положительным выводом источника питания в электронной проводке) более положителен, чем черный, вольтметр отобразит показания положительного напряжения, и наоборот:
Аналогия с показаниями вольтметра для определения состояния на выходе дифференциального усилителя в зависимости от состояний на входах
Так же, как вольтметр только отображает напряжение между двумя измерительными щупами, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность потенциалов между двумя входными выводами, а не напряжение между одним из этих выводов и землей. Полярность на выходе дифференциального усилителя точно так же, как знаковая индикация цифрового вольтметра, зависит от относительной полярности дифференциального напряжения между двумя входными выводами.
Если входные напряжения для данного усилителя представляют собой математические величины (как в случае аналоговых компьютерных схем) или показания измерений физических процессов (как в случае аналоговых электронных измерительных схем), вы можете видеть, как такое устройство, как дифференциальный усилитель, может быть очень полезно. Мы могли бы использовать его для сравнения двух величин, чтобы увидеть, что больше (по полярности выходного напряжения), или, возможно, мы могли бы сравнить разницу между двумя величинами (например, уровень жидкости в двух резервуарах) и просигнализировать об аварии (на основе абсолютного значения на выходе усилителя), если разница стала слишком большой. В базовых схемах автоматического управления контролируемое количество (называемое переменной процесса) сравнивается с целевым значением (называемым заданной точкой), и на основе несоответствия между этими двумя значениями принимается решение о том, как действовать. Первым шагом в электронном управлении такой схемой является усиление разницы между переменной процесса и заданным значением с помощью дифференциального усилителя. В простых конструкциях контроллера выход этого дифференциального усилителя может быть использован напрямую для управления конечным элементом управления (например, клапаном) и поддержания процесса достаточно близко к установленной точке.
Несимметричный, дифференциальный, псевдодифференциальный вход
Несимметричный сигнал:
Одно-концевые сигналы (односторонний) по сравнению с дифференциальными сигналами. Несимметричный вход означает, что сигнал состоит из опорного конца и конца сигнала, и опорный конец обычно измельчают.
Несимметричный вход АЦП
Например, в последовательном порту UART232 передающий терминал TXD, принимающий терминал RXD, опорный терминал является заземлением и GND, который является типичным несимметричным входом и выходом сигнала.
В случае несимметричного входа оценивается разность напряжений между сигналом и землей.
Схема несимметричного сигнального интерфейса RS232
Дифференциальный сигнал:
Дифференциальный (дифференциальный) предназначен для выполнения дифференциального преобразования несимметричного сигнала и вывода двух сигналов, один из которых находится в фазе с исходным сигналом, а другой инвертируется с исходным сигналом. Дифференциальные сигналы обладают высокой устойчивостью к синфазным помехам и подходят для передачи на большие расстояния. Несимметричные сигналы не имеют этой функции.
В случае дифференциального входа оценивается разность напряжений между двумя сигнальными линиями.
Форма волны дифференциального сигнала
Когда сигнал мешает, два дифференциальных провода будут затронуты одновременно, но разница напряжений не сильно изменится. При изменении несимметричной входной линии GND остается неизменным, поэтому разница напряжений сильно меняется.
По сравнению с обычной несимметричной маршрутизацией сигнала наиболее очевидные преимущества дифференциального сигнала отражены в следующих трех аспектах:
Способность к помехам высока, потому что связь между двумя дифференциальными трассами очень хорошая (лучше всего подходит соседняя проводка), когда есть шумовые помехи извне, они почти связаны с двумя линиями одновременно, и приемный конец касается только двух разницы сигнала, поэтому внешний шум общего режима может быть полностью отменен.
Он может эффективно подавлять электромагнитные помехи. По той же причине, из-за противоположной полярности двух сигналов, излучаемые ими электромагнитные поля могут нейтрализовать друг друга. Чем сильнее связь, тем меньше электромагнитной энергии отводится во внешний мир.
Позиционирование по времени является точным.Поскольку переключение переключателя дифференциального сигнала находится на пересечении двух сигналов, в отличие от обычного несимметричного сигнала, который зависит от высокого и низкого пороговых напряжений, он в меньшей степени зависит от процесса и температура, которая может уменьшить ошибку синхронизации.Также он больше подходит для схем с сигналами малой амплитуды. Популярный в настоящее время LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) относится к этой технологии дифференциальных сигналов малой амплитуды.
Несимметричный в дифференциальный:
Принципиальная схема RS485, преобразование между RS232 и RS485. 485-A и 485-B - это пары дифференциальных входов и выходов, 485-RX - несимметричный выход, 485-TX - несимметричный вход, а 485-DIR - управление направлением для реализации полудуплексной связи.
На приведенном выше рисунке показана типичная полностью дифференциальная схема, так называемая полностью дифференциальная схема, в которой вход и выход являются дифференциальными. На рисунке выше показана полностью дифференциальная схема операционного усилителя.
Дифференциальный вход АЦП
Псевдодифференциальный вход:
Псевдодифференциальный вход АЦП
Чтобы иметь как преимущества дифференциального входа, так и преимущества простого несимметричного входа, существует также псевдодифференциальный вход, который реализует аналогичное дифференциальное соединение путем подключения заземления сигнала к клемме ADCIN.
Псевдо-дифференциальный метод соединения сигнала уменьшает шум и обеспечивает соединение с плавающем сигналом в пределах диапазона синфазного напряжения инструментального усилителя. В режиме псевдо-дифференциальный сигнал подключен к положительному выводу входа, и базовое заземление signal is Отрицательная клемма входа подключена. Псевдодифференциальный вход снижает влияние, вызванное разницей между эталонным потенциалом земли (циркулирующим током заземления) источника сигнала и устройства, что повышает точность измерения.
Псевдодифференциальный вход и дифференциальный вход очень похожи в снижении циркуляции грунта и шума.Разница в том, что в режиме дифференциального входа входной отрицательный терминал изменяется со временем, а в псевдодифференциальном режиме вход отрицательного терминала должен быть только эталонным. . Другой способ описания псевдодифференциального сигнала состоит в том, что вход является дифференциальным только в смысле нарушения циркуляции грунта, а опорный сигнал (вход отрицательной клеммы) не используется в качестве сигнала передачи, а только обеспечивает сигнал (вход положительной клеммы). Контрольная точка постоянного тока.
Связанные вопросы:
Могут ли псевдодифференциальные входы эффективно подавлять синфазный шум?
Может быть частично подавлен. Поскольку сопротивление двух линий к «земле» несовместимо, эффект подавления ограничен.
Каковы преимущества и недостатки псевдодифференциального входа по сравнению с дифференциальным входом?
Поскольку он «замаскирован», в принципе нет никаких преимуществ, а только недостатки. Недостатком является то, что две линии асимметричны, и эффект подавления синфазных помех ограничен. Если вам нужно получить преимущество, вы вряд ли сможете замаскировать несимметричный выходной сигнал как дифференциальный, и эффект будет немного лучше, чем у полного несимметричного соединения (решение маломасштабного плавающего сигнала на обоих концах).
Некоторые электрические сигналы, с которыми нам приходится иметь дело, «плавают» относительно земли. Типичными примерами могут быть падение напряжения на токоизмерительном резисторе в источнике питания или сложный биомедицинский сигнал, такой как ЭКГ. В таких случаях для усиления дифференциальной составляющей сигнала и подавления его синфазных компонентов используется инструментальный усилитель (ИУ).
Инструментальный усилитель необходимо тестировать с использованием реальных сигналов, как во время проектирования, так и периодически в течение практической эксплуатации. ИУ также следует проверять путем подачи на его входы известного калиброванного тестового сигнала, чтобы определить его точность, подавление синфазного сигнала и то, как на него влияют различные ошибки подключения, которые могут возникнуть при использовании усилителя. Источник тестового сигнала для медицинского ИУ должен выдавать сигнал UOUT подходящей формы с диапазоном амплитуд в несколько милливольт и диапазоном частот от нуля до нескольких килогерц. Этот источник должен иметь два дифференциальных выхода, которые могут быть подключены к соответствующим входам ИУ, как показано на Рисунке 1.
Рисунок 1. | Источник дифференциального сигнала. |
Выходные сопротивления RG1 и RG2 должны составлять, как минимум, несколько кОм, чтобы моделировать характеристики тел, которые будут измеряться в реальной жизни. Кроме того, оба выхода должны быть электрически изолированы от земли, но должен быть доступен общий опорный уровень для проверки способности ИУ подавлять синфазные помехи.
Для тестирования доступно несколько различных типов источников сигналов. Все они, начиная с генераторов функций и заканчивая специализированными цифровыми синтезаторами, различаются уровнями точности и сложности. Многие из них способны формировать сигналы в подходящем диапазоне амплитуд и частот, а некоторые даже могут имитировать ЭКГ, ЭЭГ и другие медицинские сигналы. Однако использование этих источников может быть проблематичным, поскольку часто они имеют несимметричные выходы и недостаточно изолированы от земли для проведения испытаний на разделение синфазных сигналов.
Эти источники могут быть адаптированы для тестирования ИУ путем добавлением схемы драйвера, преобразующей несимметричный сигнал в дифференциальный и обеспечивающей развязку потенциалов. В этой статье описываются проектирование, конструкция и применение такой схемы. Ее выходы гальванически изолированы от земли и поддерживают имитацию «синфазной» составляющей сигнала. Кроме того, выходное сопротивление источника эмулируемого сигнала можно отрегулировать в соответствии с импедансом несимметричного источника.
Практическая реализация оптической развязки аналоговых сигналов
Изоляция между входом и выходом осуществляется с помощью оптрона – устройства, которое содержит светодиод (LED) и (PD) в одном корпусе. Фотодиод действует как детектор, то есть фотоэлектрический генератор тока, где ток через фотодиод пропорционален количеству света, генерируемого сигналом, проходящим через светодиод.
Для приложений, использующих дифференциальные сигналы, хорошо подходят двухканальные оптроны, в которых один светодиод управляет двумя фотодиодами, такие, например, как выпускаемые Vishay приборы IL300. Двухканальные устройства обычно предпочтительнее, чтобы гарантировать, что любые различия между откликами двух каналов, обусловленные производственным разбросом, будут минимальными. В этом приложении свет от светодиода попадает на оба фотодиода, один из которых может использоваться для контроля количества света, испускаемого светодиодом, чтобы обеспечить линейную обратную связь для управления светодиодом. Второй фотодиод используется для фактической передачи сигнала через изолирующий барьер на выход. Несколько полезных примеров использования оптронов в различных схемах можно найти в [1]. Однако во всех этих примерах на выходной стороне оптоизолятора включается операционный усилитель, потенциально требующий отдельного (изолированного) источника питания.
Оптроны обычно используются для гальванической развязки потоков цифровых данных. В таких приложениях для получения чистой цифровой последовательности импульсов они работают в «режиме насыщения», когда через включенный светодиод проходит достаточно сильный ток, чтобы полностью насытить фотодиоды, и практически отсутствует ток, когда он выключен. Однако в данном приложении оптрон работает в линейной области, что иногда называется фотогальваническим режимом, где фотодиод выдает сигнал, пропорциональный количеству света, получаемого от светодиода. В нашей схеме для изоляции аналоговых тестовых сигналов генератора оптрон используется в фотогальваническом режиме. На Рисунке 2 показана простая схема с линейным оптроном, фотодиоды которого работают в фотогальваническом режиме, подобно солнечным элементам.
Токи обоих светодиодов PD1 и PD2 преобразуются в напряжения нагрузочными резисторами R3 и P1. До тех пор, пока оба напряжения (UPD1 и UOUT) остаются в линейном диапазоне характеристик фотодиодов (в нашем случае – менее 50 мВ), их амплитуда будет пропорциональна количеству света, излучаемого светодиодом. Операционный усилитель U1 сравнивает сигнал UPD1 с входным сигналом UIN и, управляя светодиодом, стремится сделать их равными. Подстроечный резистор P1 используется для регулировки коэффициента усиления (UOUT/UIN) схемы, а конденсатор C2 необходим для подавления генерации.
Выходной сигнал UOUT (наш источник тестового сигнала) берется со второго фотодиода PD2. Он изолирован от земли, а его внутреннее сопротивление определяется резистором R3. Фотогальванический режим обычно не используется с линейными оптронами, поскольку доступный диапазон выходных напряжений ограничен несколькими милливольтами. Но в данном приложении фотогальванический режим оправдан и предпочтителен, поскольку он не требует какого-либо источника питания на выходе оптрона, а нужный выходной сигнал в любом случае невелик.
Варианты изоляции для специальных требований
Выходные напряжения схемы на Рисунке 2 могут быть лишь положительными, поскольку ток через светодиод и оба фотодиода может течь только в одном направлении. Проблема может быть решена путем добавления к входному сигналу UIN небольшого положительного смещения, что позволяют сделать большинство стандартных генераторов сигналов. Однако это также добавляет постоянное смещение и к выходному сигналу UOUT. Если постоянное смещение уровня выходного сигнала допустимо, или если нежелательное постоянное смещение выходного сигнала можно устранить, добавив RC-фильтр верхних частот с подходящей частотой среза (при условии, что такая измененная частотная характеристика приемлема), то схема на Рисунке 2 подходит для решения поставленной задачи.
Рисунок 2. | Простая схема, в которой используется линейный оптрон. |
Если в выходном сигнале драйвера не должно быть постоянного смещения, а его частотная характеристика должна начинаться от 0 Гц, то постоянное смещение следует вычесть из выходного сигнала. В этом случае для решения проблемы можно использовать вторую батарею и подстроечный резистор. Однако более простое решение, не требующее второго источника питания, показано на Рисунке 3. В этой схеме добавлен второй оптрон (U3), управляемый постоянным током, а его выходной фотодиод включен встречно-параллельно с выходным фотодиодом оптрона U2. Постоянный ток через оптрон U3 устанавливается подстроечным резистором P7 для компенсации тока смещения оптрона U2.
Рисунок 3. | Полная принципиальная схема оптически изолированного дифференциального драйвера. |
В конструкции также использован маломощный операционный усилитель OPA349, главным образом потому, что диапазон его синфазных входных напряжений может на 200 мВ выходить за пределы шин питания, и ему требуется очень мало энергии. В результате общий ток, потребляемый схемой, составляет порядка 1 мА. Поскольку прототип питается от двух батареек типоразмера ААА, его срок службы должен быть близок к 1000 часов.
Важно отметить, что максимальный диапазон входных сигналов и потребляемая мощность схемы сильно зависят от величины смещения. Напряжение смещения фиксируется резистивным делителем R5/R6 на уровне 20 мВ, что устанавливает ток светодиода оптрона U2 равным примерно 500 мкА. Такой же ток нужно установить для светодиода оптрона U3. Благодаря наличию делителя, состоящего из резисторов R4 и R6, в этом варианте исходной схемы входной сигнал не нужно смещать относительно уровня земли.
Максимально допустимое входное напряжение UIN для этой схемы составляет около ±5 В. За этими пределами выходной сигнал искажается, частично из-за небольшого смещения в 20 мВ и частично из-за нелинейностей на границах фотогальванического режима фотодиодов оптрона U2. При входном сигнале 1 В пик-пик ожидаются выходной сигнал 1 мВ пик-пик и гармоники ниже –40 дБ. Частотная характеристика простирается от 0 Гц до примерно 10 кГц (по уровню –3 дБ).
Настройка схемы
Собранная схема показана на Рисунке 4.
Рисунок 4. | Схема в сборе. Обратите внимание, что подстроечный резистор P1 отсутствует, поскольку в этом случае нет необходимости в калибровке усиления схемы. |
Настройка схемы начинается с подачи на вход UIN синусоидального сигнала частотой порядка 500 Гц и размахом 4 В пик-пик и наблюдения входного и выходного (UOUT) сигналов на осциллографе. Примечание: использование делителей 10:1 (как минимум) обязательно. Затем подстроечным резистором P1 устанавливают соотношение амплитуд обоих лучей, равное 1000:1. И, наконец, регулировкой подстроечного резистора P7 средний уровень сигнала на выходе UOUT делают равным нулю.
Читайте также: