Single Ended vs. Differential Pair
Jens Wülfing | Field Application Engineer | Samtec Europe GmbH
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Werden Signale und Daten über Kabel oder Leiterbahnen übertragen gibt es im Prinzip zwei unterschiedliche Arten wie die Leitung ausgestaltet ist. Jede Übertragungsart besitzt ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Single-Ended bzw. die asymmtrische Signalübertragung
Bei der asymmetischen Signalübertragung gibt es pro Kanal nur einen Signalleiter (HIGH oder „+“). Die Rückführung des Signals erfolgt über die Masse (GND). Wenn mehrere Signalleiter vorhanden sind, was häufig der Fall ist, dann wird die Masse gemeinsam genutzt. Single-Ended-Eingänge sind kostengünstiger, platzsparender und einfacher zu implementieren. Die asymmetrische Signalübertragung wird meist bei Systemen mit 50Ω Impedanz verwendet.
Zwischen Signal und Masse bilden sich Flächen, die das Einkoppeln von Störungen erleichtern. Üblicherweise werden bei Kabelübertragungswegen koaxiale Kabel eingesetzt. Der Signalleiter ist dabei von einer Schirmung umgeben, die gleichzeitig Masse und Rückpfad bildet. So werden Störungen zur Masse hin abgeleitet und reduziert. Auf Platinen ist es schwieriger, die Flächen zu vermeiden, durch die Störungen eindringen können, insbesondere bei höheren Frequenzen. Daher ist die asymmetrische Signalübertragung generell anfälliger für Störungen.
Viele Protokolle verwenden die asymmetrische Signalübertragung, z.B.:
- SDI
- CoaXpress
- RS232
- I2C
- SPI
- RF
- Steuersignale
Single-Ended (asymmetriche) Übertragungsstrecke mit gemeinsamer Masse als Rückführungspfad
Differential Pair (symmetrische) Übertragungsstrecke. Beispielhaft eine Gleichtakt-Störung, die mit dem Differenzverstärker eliminiert wird.
Differential Pair bzw. die symmetrische Signalübertragung
Bei der symmetrischen Signalübertragung wird dasselbe Signal über zwei Leitungen mit entgegengesetzter Polarität gesendet. Am Ende der Übertragungstrecke wird am Empfänger das Differenzsignal gebildet. In der Konsequenz liegt am Empfänger eine doppelte Amplitude an (+6dB). Somit erfolgt bei einer symmetrischen Signalübertragung auch eine Verstärkung des Signals, die dann in Folge ggf. verwendet werden kann, um beispielsweise das Signal/Rauschverhältnis (S/N ratio) zu verbessern (vgl. auch mit Bild oben rechts, oberer Teil).
Aufgrund der Differenzbildung ist die Summe der Ströme gleich null. Somit wird ein Rückführungsleiter nicht benötigt. Wenn eine Gleichtaktstörung in beide Signalpfade einkoppelt, ist sie auf jedem Pfad idealerweise identisch. Diese Störung wird dann durch die Differenzbildung beim Empfänger vollständig beseitigt (vgl. auch mit Bild oben rechts, unterer Teil). Wichtig ist es, dass die Signalpfade eng aneinander liegen. Dies minimiert einerseits Störungen und gewährleistet andererseits, dass eventuelle Störungen auf beiden Pfaden möglichst identisch sind. Oft werden bei Kabel die Leiter verdrillt, also ineinander verdreht, um die Fläche zwischen den Leitern so gering wie möglich zu halten. Ein prominentes Beispiel dafür sind Kabel für LAN-Anwendungen.
Koaxialkabel mit Innenleiter und Schirmung
Kabel mit zwei Innenleiter für eine symmetrische Signalübertragung
Im folgenden Bild ein Beispiel wie ein symmetrisch übertragenes Signal mit einer Gleichtakt-Störung (common mode) beaufschlagt wird. Das Signal wird über die Differenzbildung, da in der Polarität gegenläufig, verstärkt. Die Störung wird, da in der Polarität gleich, eliminiert.
Beaufschlagung eines Signals mit Gleichtaktstörung bei symmetrischer Signalübertragung und Ergebnis nach Differenzbildung
Der Signalversatz bei der symmetrischen Signalübertragung
Aufgrund verschiedener Einflüsse kann das positive und das negative Signal bei der symmetrischen Signalübertragung unterschiedliche Laufzeiten aufbauen. Dieser Effekt wird Signalversatz (engl. Skew) genannt. Einflüsse können im Routing auf der Platine liegen, unterschiedliche Wege in Steckverbindern oder in Kabel beispielsweise. Auch im Verlauf des Pfades sind schwankende Materialeigenschaften (z.B. das die Kapazität beeinflussende εr) ein wichtiger Faktor. Der Versatz wird kritischer je höher die Frequenz ist. Mit den derzeit möglichen High-Speed-Systemen im Bereich 50-100Gbps oder mehr ergibt sich eine Wellenlänge im Bereich von einigen Millimetern. Ist der Versatz zu groß wird die korrekte Differenzbildung des Signals und die Eliminierung von Gleichtaktstörungen nicht mehr ausreichend gewährleistet.
Im Verlauf des Designs ist es aus diesen Gründen wichtig auf die gleiche Länge der Signalpfade zu achten. Weiterhin ist die Homogenität des verwendeten Materials (z.B. Platine und Kabel) bzw. Hochwertigkeit zu bewerten.
Beispiel für die Versatzproblematik bei der symmetrischen Signalübertragung
