Как сделать дифференциальный сигнал

Формирование дифференциального сигнала с помощью трансформатора и сплиттера

У большинства функциональных генераторов и анализаторов цепей выходной сигнал выводится на один порт. Если понадобится дифференциальный сигнал, вам придется за огромные деньги покупать анализатор цепей с двумя портами. Но есть и альтернативные решения, позволяющие сформировать дифференциальные сигналы без покупки дорогого оборудования. Два самых популярных решения основаны на использовании трансформатора или разделителя сигналов (сплиттера).

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал
Рисунок 1.Большой размах выходного напряжения можно с минимальными затратами
получить с помощью двух операционных усилителей. Размах выходного
напряжения может быть почти в два раза больше, чем у схемы, использующей
один источник питания 12 В, что очень удобно для драйверов xDSL.

Зачем нам может потребоваться дифференциальный сигнал? К примеру, в конструкции драйвера xDSL два операционных усилителя можно сконфигурировать так, чтобы, не меняя напряжения питания, увеличить размах выходного сигнала (Рисунок 1). Если напряжение питания усилителей равно +12 В, размах сигнала на одном выходе будет ограничен напряжением шин питания (10 В пик-пик), в то время как выходной сигнал, снимаемый дифференциально, может быть почти вдвое больше (18 В пик-пик). Обратите внимание, что речь идет о выходе, а не о входе. Входной сигнал, формируемый сплиттером, должен быть в коэффициент усиления раз меньше.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал
Рисунок 2.Для дифференциальной схемы на Рисунке 1 нужен трансформатор.
Это самый дешевый способ получения от этой схемы
дифференциального выходного напряжения.

Дешевле всего сформировать дифференциальный сигнал можно с помощью трансформатора (Рисунок 2). Одним из важных аспектов является измерение полосы пропускания трансформаторов, поскольку мы хотим, чтобы полоса пропускания измерительной установки была не меньше, чем у усилителя. На Рисунке 3 показаны частотные характеристики двух трансформаторов с разными полосами пропускания. Из графиков хорошо видно, что обеспечить измерения в полосе частот 30 МГц способен только трансформатор 2, тогда как полоса трансформатора 1 ограничена значением 4 МГц. Альтернативный способ формирования дифференциального сигнала основан на использовании разделителя сигналов. Таблица 1 позволяет сравнить решения, базирующиеся на трансформаторе и сплиттере.

Таблица 1.Сравнение решений, основанных на использовании трансформатора и разделителя сигналов
Источник
дифференциального
сигнала
ИзготовительМодельСоотношение
витков
Полоса пропусканияЦена
Из документацииИзмеренная
Трансформатор 1Coev MagneticsC12161:1До 5 МГц (–3 дБ)$2
Трансформатор 2PulseBX4240LNL1:2.5До 35 МГц (–3 дБ)$2
Разделитель сигналовMini-CircuitsZSCJ-2-20.01…20 МГцДо 55 МГц (–3 дБ)$60

Одним из преимуществ использования разделителя сигналов является то, что не требуется изготовление печатной платы. В отличие от простого кабельного подключения сплиттера, на разводку печатной платы понадобится дополнительное время. Конечно же, разделители сигналов дороже, чем трансформатор и печатная плата.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал
Рисунок 3.Для правильного возбуждения пары линий xDSL важен выбор трансформатора
с подходящей частотной характеристикой. Нетрудно видеть, что частотная
характеристика трансформатора 2 лучше, чем у трансформатора 1.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Недорогой малопотребляющий преобразователь дифференциального сигнала в несимметричный

Chau Tran и Jordyn Rombola, Analog Devices

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Вопрос:

Как с небольшими затратами денег и потребляемой мощности реализовать на усилителе переход от дифференциального входа к несимметричному выходу?

Ответ:

Во многих приложениях требуются высококачественные дифференциальные усилители для преобразования слабых дифференциальных сигналов в несимметричный сигнал с опорным уровнем земли. Как правило, напряжения на двух входах имеют большую общую синфазную составляющую. Дифференциальный усилитель удаляет синфазное напряжение, а оставшееся напряжение усиливается и выводится на выход усилителя как несимметричный сигнал. Удаленное напряжение может быть как переменным, так и постоянным, и, как правило, это синфазное напряжение больше, чем дифференциальный входной сигнал. Эффективность подавления снижается по мере увеличения частоты синфазного напряжения. Усилители внутри одного корпуса лучше согласованы, имеют одинаковые паразитные емкости и не требуют внешних соединений. Поэтому частотные характеристики сдвоенного высококачественного широкополосного усилителя лучше, чем характеристики отдельных усилителей.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал
Рисунок 1.Усилитель с дифференциальным входом и
несимметричным выходом.

Простое решение, основанное на использовании сдвоенных прецизионных усилителей с резистивной обратной связью, показано на Рисунке 1. Схема демонстрирует несложный способ преобразования дифференциального входа в несимметричный выход с возможностью регулировки усиления. Коэффициент усиления G этой системы находится из выражения (1):

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал(1)

G = RF/1 кОм,
(VIN1 – VIN2) – дифференциальное входное напряжение.

Как правило, такой метод обеспечивает более стабильные результаты измерений в присутствии электромагнитных и радиочастотных помех. Это особенно актуально при измерении сигналов термопар, тензодатчиков и мостовых датчиков давления, поскольку они вырабатывают очень слабые сигналы в зашумленной среде.

По сравнению с несимметричными входами эта схема может улучшить характеристики системы, не только измеряя разность напряжений между положительным и отрицательным выводами датчика, но также обеспечивая подавление синфазного сигнала при некотором усилении полезного сигнала. Более того, датчик и аналоговая схема обработки его сигналов могут иметь разные земли. Во многих приложениях важно иметь выходное напряжение, привязанное к земле. Точность системы зависит от допусков используемых в схеме резисторов.

Схема может преобразовывать дифференциальный выход в несимметричный выход и позволяет регулировать усиление. Усиление схемы определяется соотношением сопротивлений резисторов RF и RG1, в предположении, что RG2 = RG1, и коэффициент усиления усилителя B равен –1.

Например, хорошо подойдет для этого приложения сдвоенный усилитель ADA4807-2 с полосой пропускания 180 МГц, на котором можно сделать схему инвертирующего усилителя с низким уровнем шумов. Благодаря низкому току потребления с типовым значением 1000 мкА, схема идеально подходит для преобразования данных в малопотребляющих системах высокого разрешения.

Входное синфазное напряжения может выходить за пределы напряжений шин питания. Rail-to-rail выход делает эту схему удобной для приложений обработки сигналов в присутствии больших синфазных составляющих или больших выходных напряжений. Примером может служить, например, плата сбора данных, в которой используется АЦП, рассчитанный на несимметричный входной сигнал от 0 В до 5 В. Однако источником сигнала оказывается дифференциальное напряжение, формируемое измерительным мостом, где сигнал в присутствии синфазных шумов изменяется на одном выводе в положительную сторону, а на другом – в отрицательную.

Осциллограммы на Рисунке 2 были получены для дифференциального входного сигнала и различных коэффициентов усиления схемы, которые задаются резистором RF. Как можно видеть, коэффициент усиления системы равен 1, 2 и 4 при дифференциальном входном напряжении частотой 1 кГц с размахом 1 В пик-пик.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал
Рисунок 2.Характеристики простого преобразователя дифференциального
сигнала в несимметричный сигнал.

Схема полезна для измерения небольшой разности двух больших напряжений. Например, представим себе простое решение, предназначенное для того, чтобы с точностью 1% измерять выходное напряжения схемы с мостом Уитстона, возбуждаемым напряжением 3 В относительно земли, в системе, питающейся от батареи 3 В. Использование однопроцентных или более точных резисторов обеспечит требуемый уровень точности, а схема подавит любой синфазный сигнал и усилит ослабленный сигнал моста в соответствии с установленным коэффициентом усиления. При подключении к АЦП потребуется некоторая схема смещения уровня, чтобы получить выходной сигнал, изменяющийся в диапазоне от 0 В до 5 В.

Схема предоставляет отличную комбинацию малых искажений и низкого тока потребления. Решение на сдвоенном операционном усилителе получается недорогим, а использование дифференциального усилителя обеспечивает улучшенные характеристики.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Разводка дифференциальных сигналов: как избежать ошибок

Статья «Разводка дифференциальных сигналов» посвящена некоторым правилам по трассировке высокоскоростных дифференциальных сигналов, таких как сохранение параллельности и симметричности между двумя комплементарными проводниками.
В данной статье уделяется внимание ошибкам, которые могут встречаться при проектировании или разводке высокоскоростных дифференциальных цепей, а также способам избежать их.

На рис. 1а показаны проводники дифференциальной пары, проложенные от выводов компонента. Данная разводка сделана с нарушениями правила симметрии. Рис. 1б иллюстрирует лучший, предпочтительный способ симметричной разводки.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 1. Варианты разводки дифференциальной пары

Правило симметрии по отношению к размещению отверстий показано на рис. 2. С помощью пары отверстий осуществляется переход проводников дифференциальных сигналов с одного слоя печатной платы на другой. На рис. 2а размещение отверстий приводит к нарушению симметрии (отверстия не располагаются в одинаковых, с точки зрения проводников, местах) и, таким образом, такое размещение нежелательно. На рис. 2б показан более предпочтительный вариант, при котором отверстия располагаются в одинаковых местах, вдоль дифференциальных проводников, сохраняя симметрию разводки.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 2. Размещение отверстий дифференциальной пары

На рис. 3 показана часть печатной платы с проводниками на сигнальном слое и полигонами питаний на внутреннем. Отмечены три ошибки разводки.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 3. Примеры ошибок при разводке дифференциальной пары

Вторая ошибка относится к предотвращению создания отводов от основного проводника, когда это осуществимо, потому что они могут также ухудшать качество сигнала и создавать дополнительные электромагнитные помехи.

Третья ошибка относится к проводнику синего цвета, разводка которого нарушает правило параллельности дифференциальных шин. Предпочтительная разводка для этого отрезка сигнала показана проводником зеленого цвета. Несоблюдение правила параллельности может приводить к появлению сосредоточенных неоднородностей импеданса проводника, неблагоприятно воздействует на качество сигнала, приводит к разности длин и асимметрии дифференциальных проводников.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 4. Структура стеклотекстолита марки FR-4

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 5. Варианты разводки дифференциальной пары

Кроме того, для минимизации асимметрии и достижения точных временных характеристик равенство длин проводников дифференциальной пары должно быть в достаточной степени соблюдено. На рис. 6 показано, как должны учитываться длины проводников внутри корпуса интегральной схемы (L1_pkg и L2_pkg) и проводников печатной платы (L1_PCB and L2_PCB) для получения равенства суммарных длин.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 6. Сумма L1_pkg+L1_PCB должна равняться L2_pkg+L2_PCB

Кроме того, часто разводка является ограничивающим фактором с точки зрения минимизации длины проводников и идентичности их импедансов. Согласованная нагрузка дифференциальной пары требуется достаточно часто для минимизации помех и отражений в линии.
Оптимальные предельные значения длины проводников, диапазон импеданса и значений нагрузки, определенные для достижения наилучших качественных показателей и точности временных характеристик, могут быть установлены при моделировании. На рис. 7 приведена топологическая схема, которая включает в себя дифференциальный передатчик (U1), линии передачи (T1, T2, T3 и T4), согласующий резистор (Rt) и дифференциальный приемник (U2).

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 7. Согласованная дифференциальная структура

Для получения достоверных результатов высокоскоростного моделирования часто необходимо задавать параметры линии передачи как линии с потерями (в отличие от линии без потерь), поскольку диэлектрические и резистивные потери проводников печатной платы могут уменьшать амплитуду сигнала, скорость нарастания фронтов, а также ухудшать шумовые и временные характеристики. Несмотря на это, может оказаться целесообразным представить, что потери в линии незначительны. При таком допущении моделирование упрощено и происходит более эффективно.

На рис. 7 не показаны элементы внутренней топологии, состоящие из контактных площадок кристалла интегральной схемы, проводников, шин, отверстий и т.д. Тем не менее, настоятельно рекомендуется принимать во внимание эквивалентные схемы этих элементов при моделировании передатчика и приемника. Наиболее достоверные результаты получаются при моделировании всего участка схемы от выводов передатчика до выводов приемника с учетом эффектов от проводников внутри корпуса ИС и других паразитных элементов.

Один из способов учета воздействия внутренних элементов (проводников) корпуса представлен на рис. 6. Необходимо отметить, что в некоторых случаях модель паразитных элементов более сложна, чем модель простого проводника. На рис. 8 изображен другой способ представления паразитных элементов топологии передатчика и приемника.

Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть фото Как сделать дифференциальный сигнал. Смотреть картинку Как сделать дифференциальный сигнал. Картинка про Как сделать дифференциальный сигнал. Фото Как сделать дифференциальный сигнал

Рис. 8. Представление передатчика и приемника с паразитными элементами

При моделировании высокоскоростных блоков печатной платы или временных параметров источников синхросигналов (задержка распространения сигнала, задержка между тактовым и выходным сигналами, время установки и удержания приемника) иногда становится важным различать, какие из этих параметров определяются топологией кристалла, а какие выводами интегральной схемы.

Блок, представляющий паразитные элементы корпуса, на рис. 8a и 8b может быть представлен RLC-структурой, линией передачи с распределенными параметрами (пригодной для Spice-моделирования) или модулем TOPSPEC (для XTK-моделирования). Сложность модели в зависимости от типа корпуса может значительно меняться. Список элементов, вносящих вклад в паразитные сопротивление, емкость и индуктивность (R_PKG, C_PKG, и L_PKG), для нескольких типов корпусов приведен ниже:

Для каждого из перечисленных корпусов к паразитным элементам еще добавляется небольшая часть, образующаяся от проводников, соединяющих топологическую схему и выводы кристалла.

Скорость распространения сигнала также в большой степени оказывает воздействие при точном моделировании. Эквивалентные параметры внутренних топологических паразитных элементов корпуса, а также выводов интегральной схемы могут быть получены из разных источников (справочные технические данные, Spice- или IBIS-модели и т.п.). Зачастую, для моделирования высокоскоростных схем является более предпочтительным представление паразитных элементов в виде элементов с распределенными параметрами (например, линией передачи некоторой длины, импедансом и быстродействием), чем RLC-структурой.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *