了解這些基本信號傳輸接口的關鍵特征和權衡因素

 

作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級應用工程師

 

本《信號鏈路基礎知識》部分向您介紹了在將數字轉換結果從模數轉換器 (ADC) 傳輸到系統控制器以及將任何數字配置數據從控制器傳輸到數模轉換器 (DAC) 時所必需的數字接口。其中所使用的兩種主要的信號傳輸方案就是單端和差動信號傳輸。

 

單端數據傳輸僅使用一條信號線，其電勢被看作接地。當信號線為信號電流提供正向通道時，接地線會提供回流通道。圖 1 顯示了單端傳輸通道的基本示意圖。

圖 1 單端傳輸通道

 

單端接口的優點包括簡潔性和實施成本低，但也有三個主要的缺陷：

 

1)對噪聲拾取極為敏感，由于引入至信號或接地通道中的噪聲將直接添加到接收器輸入，因此會導致錯誤的接收器觸發。

 

2)另一個值得關注的是串擾。串擾是相鄰信號和控制線之間的電容和電感耦合。

 

3)較后，信號線跡和接地層之間存在物理性差異，單端系統中產生的橫向電磁波 (TEM) 可以輻射到電路環境中，從而成為影響相鄰電路的嚴重電磁干擾 (EMI) 源。

 

差動信號傳輸采用由兩條導線組成的信號線對：一條用于使電流正向流動，另一條用于使電流回流。每條信號導線都具有一個共模電壓 VCM，該電壓與 50% 的差動驅動器輸出電壓 VOD 相疊加，但彼此極性相反（請參見圖 2）。

圖 2 差動傳輸通道

 

當差動線對的導線彼此接近時，引入至兩個導線中的電耦合外部噪聲會在接收器輸入端作為共模噪聲均勻出現。具有差動輸入的接收器只對信號差敏感，但對共模信號抗擾。因此，該接收器可以抑制共模噪聲并保持信號完整性。

圖 3 從單導線周圍的大散射磁場和差動信號線對緊耦合導線回路之外的小散射磁場輻射出的 TEM 波

（單擊圖片放大）

 

緊電子耦合可提供另一種好處。兩條導線中的電流等幅但極性相反，能夠產生彼此抵消的磁場。這樣，兩條導線的橫電磁波就被剝奪了磁場，因此不會輻射到環境中。只有導線回路之外非常小的散射磁場才有輻射，從而顯著降低了電磁干擾 (EMI)。

 

應用

當緊靠系統控制器應用時，單端接口允許相對較高的頻率（高達 70 MHz）。差動接口具有相當高的抗干擾能力，可以顯著降低電磁干擾 (EMI)，因此其數據傳輸頻率可達 500MHz 或更高。

 

數據轉換器中較常實施的接口是內部集成電路 (I²C) 總線、串行外設接口 (SPI)總線以及低壓差動信號傳輸 (LVDS) 接口。敬請關注在未來《信號鏈路基礎知識》文章中討論的這些主題。

 

作者簡介

Thomas Kugelstadt 現任 TI 高級系統工程師，主要負責定義新型高性能模擬產品以及探測和調節工業系統中低電平模擬信號的完整系統解決方案的開發工作。

 

在 TI 工作的 20 年間，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國擔任過各種國際應用職位。 Thomas 畢業于法蘭克福應用技術大學 (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業就成為一名見習工程師 (Graduate Engineer)。