Nederlands
Menu

Single-ended versus differentieel: bedrading, ruisongevoeligheid en snelheid

Bij single-ended signalering wordt de spanning op één signaaldraad ten opzichte van massa gelezen; dat vraagt weinig draden en is eenvoudig. Bij differentiële signalering lopen tegengestelde signalen over twee draden en worden 0 en 1 gelezen uit het spanningsverschil tussen de twee. Ruis en verschillen in massapotentiaal die op beide draden gelijk terechtkomen, vallen weg bij het nemen van het verschil, en de elektromagnetische velden van de tegengestelde stromen heffen elkaar op, zodat met een kleine amplitude snel en over grotere afstand kan worden verzonden. Daar staat tegenover dat elk signaal twee draden nodig heeft en dat lengte en onderlinge afstand van beide draden gelijk moeten worden gehouden.

KenmerkSingle-endedDifferentieel signaal
Aantal draden per signaalEén (de retourstroom deelt de massa)Twee (een positief en negatief paar)
Referentie bij het lezenSpanning ten opzichte van massaSpanningsverschil tussen de twee draden
Common-moderuisKomt ongewijzigd op het signaal terechtValt weg bij het nemen van het verschil (afhankelijk van de CMRR van de ontvanger)
Verschil in massapotentiaalEen verschil tussen de massa van zender en ontvanger wordt direct een foutHeeft weinig invloed zolang het binnen het common-modebereik van de ontvanger blijft
Uitgestraalde ruis (EMI)Grote stroomlus, straalt gemakkelijk uitDe velden van de tegengestelde stromen heffen elkaar op, straalt weinig uit
SignaalamplitudeGroot. Dicht bij de voedingsspanning (bijv. 0 tot 3,3 V)Klein. Enkele honderden mV (LVDS ongeveer 350 mV)
Indicatie van de snelheidEnkele tientallen tot enkele honderden Mbit/s. Bij geheugenbussen met zorgvuldige afsluiting enkele Gbit/s per draadEnkele honderden Mbit/s tot enkele tientallen Gbit/s per paar
RoutingEenvoudig. Bij snelle signalen letten op karakteristieke impedantie en afsluitingLengte en afstand van de twee draden gelijk houden en de differentiële impedantie (meestal 85 tot 100 Ω) handhaven
Kosten en aantal pinnenGoedkoop, weinig pinnenTwee keer zoveel pinnen en bedrading. Ook zend- en ontvangstschakelingen zijn complexer
Typische voorbeeldenGPIO, I2C, SPI, UART, DDR-data (DQ)LVDS, USB, PCI Express, SATA, HDMI, ethernet, CAN, RS-485

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Single-ended
Wanneer de snelheid niet zo hoog is en de afstand kort, of wanneer het aantal pinnen en de kosten laag moeten blijven. GPIO, I2C, SPI en dergelijke op een printplaat.
Differentieel signaal
Snelle signalen in de Gbit/s-klasse, verbindingen via kabels tussen apparaten op afstand, omgevingen met veel ruis en wanneer uitgestraalde ruis beperkt moet blijven. PCIe, USB, ethernet en CAN in auto's.
Voorbeeld van een combinatie
In DDR-geheugen zijn de talrijke datalijnen (DQ) single-ended, terwijl de klok en de strobe (DQS), die als timingreferentie dienen, differentieel zijn. Zo worden het aantal pinnen en de betrouwbaarheid met elkaar in evenwicht gebracht.

Veelgestelde vragen

Waarom is een differentieel signaal ongevoelig voor common-moderuis?

Als de twee draden dicht naast elkaar liggen, komt ruis van buitenaf in vrijwel gelijke mate op beide terecht. De ontvanger leest alleen het spanningsverschil tussen de twee, dus ruis die op beide gelijk is (common-moderuis) valt weg bij het aftrekken. Ook een verschil in massapotentiaal werkt op beide draden gelijk en heeft dus weinig invloed.

Waarom kan een differentieel signaal sneller verzenden, terwijl het twee draden nodig heeft?

Omdat het ongevoelig is voor ruis, kan de amplitude tot enkele honderden mV worden verkleind, en door die kleinere spanning die moet worden op- en ontladen kan sneller worden geschakeld. Er is ook weinig uitgestraalde ruis en een verschil in massapotentiaal speelt nauwelijks een rol, zodat seriële verbindingen tot enkele tientallen Gbit/s per paar halen.

Waar let je op bij het routeren van een differentieel paar?

Allereerst dat beide draden even lang zijn. Bij een lengteverschil komen de twee signalen op verschillende momenten aan, vervormt de verschilgolfvorm, wordt een deel omgezet in common-moderuis en neemt de uitstraling toe. Verder moet de afstand tussen de twee draden constant zijn om de differentiële impedantie op de voorgeschreven waarde (meestal 85 tot 100 Ω) te houden, en moet het paar aan de ontvangstzijde worden afgesloten.

Is massa bij differentiële signalen dan niet nodig?

Niet helemaal. Het gemiddelde van de twee spanningen (de common-modespanning) moet binnen het bereik liggen dat de ontvanger toelaat. Daarom wordt de massa gedeeld, of wordt de gelijkspanning met een condensator of transformator geblokkeerd en aan de ontvangstzijde een nieuwe common-modespanning gemaakt. Ethernet isoleert de apparaten onderling met transformatoren.

Test uw begrip

Wat is de belangrijkste reden dat bij snelle seriële transmissie differentiële signalering wordt gebruikt, waarbij twee lijnen tegengestelde signalen voeren?

  1. AOmdat er twee lijnen zijn, is de hoeveelheid verzendbare data altijd 2 keer zo groot
  2. BOmdat bij onderbreking van één lijn de andere alleen met dezelfde snelheid kan blijven verzenden
  3. COmdat ruis die op beide lijnen op dezelfde manier inwerkt bij het nemen van het verschil wegvalt, waardoor ook met kleine amplitude snel en betrouwbaar kan worden verzonden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat ruis die op beide lijnen op dezelfde manier inwerkt bij het nemen van het verschil wegvalt, waardoor ook met kleine amplitude snel en betrouwbaar kan worden verzonden

Bij differentiële signalering worden 0 en 1 weergegeven door het spanningsverschil tussen twee lijnen. Ruis van buitenaf werkt op de twee naast elkaar lopende lijnen vrijwel op dezelfde manier in en valt dus weg bij het nemen van het verschil. Daardoor kan de amplitude tot enkele honderden millivolt klein worden, nemen de tijd en het vermogen voor het veranderen van de spanning af en kan sneller worden verzonden. Omdat de stromen in de twee lijnen tegengesteld zijn, is ook de naar buiten uitgestraalde elektromagnetische ruis klein.

Wat is de belangrijkste reden dat snelle verbindingen tussen chips en printplaten zijn overgegaan van parallelle transmissie met veel lijnen naar seriële transmissie met snelle signalen over weinig lijnen?

  1. ABij parallelle transmissie vormt het verschil in aankomsttijd tussen lijnen (skew) een probleem, waardoor de snelheid moeilijk te verhogen is
  2. BSeriële transmissie gebruikt geen elektriciteit, dus het vermogensverbruik is 0
  3. CParallelle transmissie is bij wet verboden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Bij parallelle transmissie vormt het verschil in aankomsttijd tussen lijnen (skew) een probleem, waardoor de snelheid moeilijk te verhogen is

Bij parallelle transmissie moeten de bits van veel lijnen met dezelfde klok worden ontvangen. Bij hogere snelheid wordt het verschil in aankomsttijd (skew) door kleine verschillen in bedradingslengte niet meer verwaarloosbaar ten opzichte van de klokperiode, waardoor de snelheid niet verder kan worden verhoogd. Bij seriële transmissie wordt de klok per lijnpaar uit de data gehaald, dus is er geen skewprobleem en kan de snelheid per lijn sterk worden verhoogd. Ook het aantal aansluitingen en bedradingen kan worden verminderd.

Welke omschrijving van een „lane” van PCI Express is juist?

  1. AEen verbindingseenheid met één differentieel paar voor zenden en één voor ontvangen, waarbij lanes kunnen worden gebundeld om de bandbreedte te vergroten
  2. BEen eenheid waarbij met één lijn afwisselend wordt gezonden en ontvangen
  3. CDe fysieke lengte van de sleuf waarin PCI Express-apparaten worden gestoken
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Een verbindingseenheid met één differentieel paar voor zenden en één voor ontvangen, waarbij lanes kunnen worden gebundeld om de bandbreedte te vergroten

Eén lane van PCI Express bestaat uit een differentieel paar voor zenden en een differentieel paar voor ontvangen, in totaal 4 lijnen, en kan data in beide richtingen tegelijk verzenden. Bij het bundelen van lanes, zoals x4 of x16, wordt de data over de lanes verdeeld, zodat de bandbreedte evenredig met het aantal lanes toeneemt. Grafische kaarten gebruiken vaak x16, SSD's x4 en netwerkkaarten x1 tot x8.

  1. Wat betekent een grote CMRR (common-mode rejection ratio) van een differentiële versterker?
  2. Welk voordeel heeft het gebruik van een differentiële ingang bij een AD-converter?
  3. Op een CAN-bus met aan beide uiteinden een afsluitweerstand van 120 Ω werd met uitgeschakelde voeding de weerstand tussen CAN_H en CAN_L gemeten. Welke waarde komt het dichtst bij de normale waarde?

Oefenvragen over Interfaces en busstandaarden

Belangrijke termen uitgelegd

Differentiële signalering
Methode waarbij op twee lijnen signalen in tegengestelde richting worden gestuurd en 0 en 1 door het spanningsverschil worden weergegeven. Ruis die op beide lijnen gelijk optreedt wordt opgeheven, zodat met een kleine amplitude snel kan worden verzonden.
CMRR (common-mode rejection ratio)
Bij een differentiële versterker de verhouding tussen de versterking van het differentiële signaal en die van het common-modesignaal dat op beide ingangen gelijk aanwezig is. Hoe groter, hoe beter gemeenschappelijke ruis op de bedrading wordt onderdrukt.
Karakteristieke impedantie
Verhouding tussen spanning en stroom die een elektrische golf op een transmissielijn ondervindt. Wordt bepaald door de breedte van de verbinding en de afstand tussen de lagen; waar ze onderweg verandert, wordt het signaal gereflecteerd.
PCI Express
Snelle seriële uitbreidingsinterface die de CPU verbindt met onder meer GPU's, ssd's en netwerkkaarten. Ook PCIe geschreven. Door lanes te bundelen neemt de bandbreedte toe en per generatie verdubbelt de snelheid ongeveer.
Crosstalk
Verschijnsel waarbij door onder meer capacitieve koppeling tussen naburige bedrading een signaalverandering in de ene lijn als ruis in de andere verschijnt. Wordt onderdrukt door de afstand tussen lijnen te vergroten of afschermende lijnen toe te voegen.

Verwante vergelijkingen