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单端信号

日期: 2020-08-20
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随着USB4,雷电4的结构都开始偏向于同轴结构,传统的差分对阵营在接下来的表演里面将些许冷清的感觉,其实不管是差分讯号对传输模式还是同轴结构的单端讯号传输,都有其各自的优劣势,今天我们一起聊聊讯号传输中的单端信号和差分信号。

单端信号

什么是单端信号?


单端传输是指用一根信号线和一根地线来传输信号,信号线上传输的信号就是单端信号,优点是设计结构简单方便,缺点是抗干扰能力差。


单端信号

早期的数字总线大部分使用单端信号做信号传输,如TTL/CMOS信号都是单端信号。所谓单端信号,是指用一根信号线的高低电平的变化来进行0、1信息的传输。

单端信号

这个电平的高低变化是相对于其公共的参考地平面的。单端信号由于结构简单,可以用简单的晶体管电路实现,而且集成度高、功耗低,因此在数字电路中得到最广泛的应用。下图是个单端信号的传输模型。

单端信号

当信号传输速率更高时,为了减小信号的跳变时间和功耗,信号的幅度一般都会相应减小。比如以前大量使用的5V的TTL信号现在使用越来越少,更多使用的是3.3V/2.5V/1.8V/1.5V/1.2V的LVTTL电平,但是信号幅度减小带来的问题是对噪声的容忍能力会变差一些。进一步的,很多数字总线现在需要传输更长的距离,从原来芯片间的互连变成板卡间的互连甚至设备间的互连,信号穿过不同的设备时会受到更多噪声的干扰。更极端的情况是收发端的参考地平面可能也不是等电位的。因此,当信号速率变高、传输距离变长后仍然使用单端的方式进行信号传输会带来很大的问题。下图是个受到严重共模噪声干扰的单端信号,对于这种信号,无论接收端的电平判决阈值设置在哪里都有可能造成信号的误判。


单端信号

为什么单端讯号传输容易受影响


地电势差的波动影响:一条信号传输线上再传输的过程中电势差应该一致,不一致就会出现问题,没有完美的电路传输,所以在信号线上会形成微小的压差,也就会产生微弱的电流。恰恰就是这微弱的电流使我们的信号发生干扰。
地端电流的大小影响信号的幅值波动:地端的电流是动态的,忽大忽小,因此具有一定的波动,所以单端信号对地电压也会发生波动,这种波动会影响信号的幅度,从而信号质量会大大降低。

为什么USB4和雷电用单端信号模式?
目前已经批量上市的Intel雷电3数据线使用的就是同轴线,由于同轴线存在高频参数会更差,对于长度在0.5m的雷电3线,只需要被动芯片即可,而超过0.5m时,则需要主动芯片对信号进行放大,主动芯片和被动芯片价格相差好几倍,因此雷电3线普遍不超过0.5m,既然如此为何不用差分结构呢?
那就要看使用同轴线的众多优点:
1:相对差分对的绞线结构,线材的完成外径可以做小。
2:由于同轴结构采用的缠绕屏蔽结构,其线材的柔软性非常好。
3:同轴结构相比对绞结构,线材的弯折性能更好,在多次弯折的情况下,同轴线依然能保持很好的结构和电气性能,对绞线的硬伤就是弯折后的铝箔/铜箔已经断开,电气性能会变的很差。
---------文章转载至微信公众号:线缆行业朋友分享


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