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Single-Ended vs. differentielle Signale: die Unterschiede

Bei Single-Ended wird die Spannung einer einzelnen Signalleitung gegen Masse gemessen; das Verfahren kommt mit wenigen Leitungen aus und ist einfach. Bei differentieller Übertragung führen zwei Leitungen gegenphasige Signale, und 0 und 1 werden aus der Spannungsdifferenz der beiden Leitungen gelesen. Störungen oder Massepotenzialunterschiede, die beide Leitungen gleichermaßen treffen, heben sich bei der Differenzbildung auf, und auch die elektromagnetischen Felder der gegenläufigen Ströme kompensieren sich. So lassen sich Signale mit kleinem Hub schnell und über weite Strecken übertragen. Dafür sind pro Signal zwei Leitungen nötig, und Länge und Abstand beider Leitungen müssen im Layout angeglichen werden.

MerkmalSingle-EndedDifferentiell
Leitungen pro SignalEine (der Rückstrom teilt sich die Masse)Zwei (Paar aus positiver und negativer Leitung)
Bezug beim LesenSpannung gegenüber MasseSpannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen
GleichtaktstörungenGelangen direkt ins SignalHeben sich bei der Differenzbildung auf (abhängig von der CMRR des Empfängers)
MassepotenzialunterschiedDer Masseversatz zwischen Sender und Empfänger wird direkt zum FehlerKaum Einfluss, solange er im zulässigen Gleichtaktbereich des Empfängers bleibt
Abgestrahlte Störungen (EMI)Große Stromschleife, daher eher hochDie Felder der gegenläufigen Ströme heben sich auf, daher gering
SignalhubGroß. Nahe der Versorgungsspannung (z. B. 0–3,3 V)Klein. Einige hundert mV (LVDS etwa 350 mV)
Typische GeschwindigkeitEtwa einige zehn bis einige hundert Mbit/s. Bei Speicherbussen mit ausgefeilter Terminierung u. Ä. einige Gbit/s pro LeitungEinige hundert Mbit/s bis einige zehn Gbit/s pro Paar
LayoutEinfach. Bei schnellen Signalen auf Wellenwiderstand und Terminierung achtenLänge und Abstand der beiden Leitungen angleichen und die differentielle Impedanz (meist 85–100 Ω) einhalten
Kosten/PinanzahlGünstig, wenige PinsDoppelt so viele Pins und Leitungen. Auch Sende- und Empfangsschaltungen sind komplexer
Typische BeispieleGPIO, I2C, SPI, UART, DDR-Daten (DQ)LVDS, USB, PCI Express, SATA, HDMI, Ethernet, CAN, RS-485

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Single-Ended
Wenn die Geschwindigkeit nicht allzu hoch und die Strecke kurz ist oder Pinanzahl und Kosten gering bleiben sollen: GPIO, I2C, SPI u. Ä. auf der Leiterplatte.
Differentiell
Für schnelle Signale im Gbit/s-Bereich, für Kabelverbindungen zwischen entfernten Geräten, in störreicher Umgebung oder wenn Abstrahlung gering gehalten werden soll: PCIe, USB, Ethernet, CAN im Fahrzeug u. Ä.
Beispiel für die Aufteilung
Bei DDR-Speicher sind die zahlreichen Datenleitungen (DQ) Single-Ended, während Takt und Strobe (DQS), die als Zeitbezug dienen, differentiell ausgeführt sind – so werden Pinanzahl und Zuverlässigkeit in Einklang gebracht.

Häufige Fragen

Warum sind differentielle Signale robust gegen Gleichtaktstörungen?

Verlaufen zwei Leitungen dicht nebeneinander, koppeln äußere Störungen nahezu gleich stark in beide ein. Der Empfänger liest nur die Differenz der beiden Spannungen, daher verschwinden gleich große Störanteile (Gleichtaktstörungen) durch die Subtraktion. Auch ein Versatz des Massepotenzials wirkt gleichermaßen auf beide Leitungen und hat daher kaum Einfluss.

Warum sind differentielle Signale schneller, obwohl sie zwei Leitungen brauchen?

Weil sie störfest sind, lässt sich der Hub auf einige hundert mV verringern; da weniger Spannung umgeladen werden muss, kann schneller umgeschaltet werden. Zudem ist die Abstrahlung gering und der Massepotenzialversatz weniger kritisch, sodass bei serieller Übertragung einige zehn Gbit/s pro Paar möglich sind.

Worauf ist beim Layout differentieller Paare zu achten?

Zuerst darauf, die Längen der beiden Leitungen anzugleichen. Bei ungleicher Länge kommen die Signale versetzt an, die Differenzkurvenform verschlechtert sich, ein Teil wird zu Gleichtaktstörung, und die Abstrahlung nimmt zu. Außerdem hält man den Abstand der Leitungen konstant, um die differentielle Impedanz auf dem Normwert (meist 85–100 Ω) zu halten, und terminiert auf der Empfängerseite.

Brauchen differentielle Signale keine Masse?

Ganz ohne geht es nicht. Der Mittelwert der beiden Spannungen (Gleichtaktspannung) muss im zulässigen Bereich des Empfängers liegen. Dazu verwendet man entweder eine gemeinsame Masse oder trennt den Gleichanteil mit Kondensatoren oder Übertragern ab und erzeugt die Gleichtaktspannung auf der Empfängerseite neu. Bei Ethernet sind die Geräte über Übertrager galvanisch getrennt.

Verständnis prüfen

Was ist der Hauptgrund dafür, dass bei schneller serieller Übertragung differenzielle Signale verwendet werden, bei denen auf zwei Leitungen gegenläufige Signale geführt werden?

  1. AWeil die doppelte Leitungszahl die übertragbare Datenmenge stets verdoppelt
  2. BWeil bei Ausfall einer Leitung die andere allein mit gleicher Geschwindigkeit weiter übertragen kann
  3. CWeil sich Störungen, die beide Leitungen gleich beeinflussen, bei der Differenzbildung aufheben und auch bei kleiner Amplitude schnell und sicher übertragen werden kann
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Antwort: C. Weil sich Störungen, die beide Leitungen gleich beeinflussen, bei der Differenzbildung aufheben und auch bei kleiner Amplitude schnell und sicher übertragen werden kann

Bei differenziellen Signalen werden 0 und 1 durch die Spannungsdifferenz zwischen zwei Leitungen dargestellt. Äußere Störungen wirken auf die beiden eng benachbart geführten Leitungen nahezu gleich und heben sich bei der Differenzbildung auf. Die Amplitude kann daher bis auf einige hundert Millivolt klein sein, Zeit und Energie für den Spannungswechsel sinken, und es kann schneller übertragen werden. Da die Ströme in den beiden Leitungen gegenläufig sind, ist auch die nach außen abgegebene elektromagnetische Störung gering.

Was ist der Hauptgrund dafür, dass sich schnelle Verbindungen zwischen Chips und Platinen von der parallelen Übertragung über viele Leitungen zur seriellen Übertragung mit wenigen, schnellen Signalleitungen verlagert haben?

  1. ABei paralleler Übertragung wird der Laufzeitunterschied zwischen den Leitungen (Skew) zum Problem, sodass sich die Geschwindigkeit schwer erhöhen lässt
  2. BWeil bei serieller Übertragung kein Strom verwendet wird und der Stromverbrauch daher 0 beträgt
  3. CWeil die parallele Übertragung gesetzlich verboten wurde
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Antwort: A. Bei paralleler Übertragung wird der Laufzeitunterschied zwischen den Leitungen (Skew) zum Problem, sodass sich die Geschwindigkeit schwer erhöhen lässt

Bei der parallelen Übertragung müssen die Bits vieler Leitungen mit demselben Takt ausgerichtet empfangen werden. Mit steigender Geschwindigkeit sind die durch geringe Unterschiede der Leitungslänge verursachten Laufzeitunterschiede (Skew) im Verhältnis zur Taktperiode nicht mehr vernachlässigbar, und eine weitere Beschleunigung ist nicht möglich. Bei serieller Übertragung wird der Takt für jedes Leitungspaar aus den Daten zurückgewonnen, sodass das Skew-Problem entfällt und die Geschwindigkeit pro Leitung stark erhöht werden kann. Auch die Zahl der Anschlüsse und Leiterbahnen lässt sich verringern.

Welche Aussage zum „Lane“ bei PCI Express ist richtig?

  1. AEine Verbindungseinheit mit je einem differenziellen Paar zum Senden und zum Empfangen, wobei durch Bündeln von Lanes die Bandbreite erhöht werden kann
  2. BEine Einheit, bei der über eine einzige Leitung abwechselnd gesendet und empfangen wird
  3. CDie physische Länge des Steckplatzes, in den PCI-Express-Geräte gesteckt werden
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Antwort: A. Eine Verbindungseinheit mit je einem differenziellen Paar zum Senden und zum Empfangen, wobei durch Bündeln von Lanes die Bandbreite erhöht werden kann

Ein Lane von PCI Express besteht aus einem differenziellen Paar zum Senden und einem zum Empfangen, insgesamt vier Leitungen, und kann Daten in beide Richtungen gleichzeitig senden. Werden Lanes wie x4 oder x16 gebündelt, werden die Daten auf die Lanes verteilt, sodass die Bandbreite proportional zur Lane-Zahl steigt. Grafikkarten verwenden häufig x16, SSDs x4 und Netzwerkkarten x1 bis x8.

  1. Was bedeutet ein großer CMRR (Gleichtaktunterdrückung) eines Differenzverstärkers?
  2. Welcher Vorteil ergibt sich aus einem differentiellen Eingang bei einem A/D-Wandler?
  3. An einem CAN-Bus mit je einem 120-Ω-Abschlusswiderstand an beiden Enden wird im spannungslosen Zustand der Widerstand zwischen CAN_H und CAN_L gemessen. Welcher Wert kommt dem Normalfall am nächsten?

Übungsfragen zu Schnittstellen und Busstandards

Wichtige Begriffe erklärt

Differenzielle Signalübertragung
Verfahren, bei dem auf zwei Leitungen gegenphasige Signale übertragen werden und 0 und 1 durch die Spannungsdifferenz dargestellt werden. Auf beiden Leitungen gleich einwirkendes Rauschen hebt sich auf, sodass mit kleiner Amplitude schnell übertragen werden kann.
CMRR (Gleichtaktunterdrückung)
Verhältnis der Differenzverstärkung zur Gleichtaktverstärkung eines Differenzverstärkers, wobei Gleichtaktsignale an beiden Eingängen gleich anliegen. Je größer, desto besser wird gemeinsames Rauschen auf den Leitungen unterdrückt.
Wellenwiderstand (charakteristische Impedanz)
Verhältnis von Spannung zu Strom, das eine sich auf einer Leitung ausbreitende elektrische Welle sieht. Es wird von Leiterbreite und Lagenabstand bestimmt; an Stellen, an denen es sich ändert, werden Signale reflektiert.
PCI Express
Schnelle serielle Erweiterungsschnittstelle, die CPU mit GPU, SSD, Netzwerkkarten usw. verbindet. Auch PCIe geschrieben. Durch Bündeln von Lanes steigt die Bandbreite, und die Geschwindigkeit verdoppelt sich je Generation etwa.
Übersprechen (Crosstalk)
Phänomen, bei dem durch kapazitive Kopplung benachbarter Leiterbahnen eine Signaländerung auf der einen Leitung als Störung auf der anderen erscheint. Es wird durch größere Leiterbahnabstände oder Schirmleitungen unterdrückt.

Verwandte Vergleiche