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).

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.

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.

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.

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

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.

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):

(1)

G = RF/1 кОм,
(V_IN1 – V_IN2) – 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.

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.

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.

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.

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.

Рис. 4. Структура стеклотекстолита марки FR-4

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.

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).

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.

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