Для помехозащищенности комплементарно передаються сигнали повинні бути добре збалансовані і володіти однаковим опором
Диференціальна передача має на увазі наявність двох комплементарних сигналів з рівною амплітудою і фазовим зрушенням 180 °. Один із сигналів називається позитивним (прямим, неінверсним), другий - негативним (інверсним). Диференціальна передача широко використовується в електронних схемах і істотна для збільшення швидкості передачі даних. Високошвидкісні тактові сигнали комп'ютерних материнських плат і серверів передаються з диференціальних лініях. Численні пристрої, такі як, принтери, комутатори, маршрутизатори і сигнал-процесори використовують технологію низкоуровневой диференціальної передачі сигналів LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
У порівнянні з однопровідною для реалізації диференціальної передачі потрібна більша кількість передавачів (драйверів, трансмиттеров) і приймачів (ресіверів), а також подвійну кількість висновків елементів і провідників. З іншого боку, використання диференціальної передачі дає кілька привабливих переваг:
- велика тимчасова точність,
- велика можлива швидкість передачі,
- менша сприйнятливість до електромагнітних завад,
- менший шум, пов'язаний з перехресними перешкодами.
При розведенні диференціальних провідників важливо, щоб обидві диференціальні траси володіли одним і тим же опором, були однакової довжини, а відстань між ними одна об одну було постійним.
Використовуючи приклад, розглянемо кілька важливих концепцій диференціальної розводки. На малюнку 1 показана диференціальна шина материнської плати, прокладена між висновками спеціалізованої мікросхеми (ASIC) і роз'ємом для підключення дочірньої плати з мікросхемами пам'яті. Провідник прямого сигналу виділений зеленим кольором, а інверсного - червоним. Кожен провідник на своєму протязі має два перехідних отвори і серпантиновой ділянку.
Мал. 1. Диференціальна пара на материнській платі
Диференціальна розводка на цьому малюнку стаття грунтується з урахуванням кількох правил:
- висновки компонентів, що використовуються для передачі або прийому диференціальних сигналів, розташовуються близько один від одного;
- на кожному, окремо взятому шарі, розташовуються відрізки шин однакової довжини, а відстань між шинами зберігається на різних шарах однаковим;
- при зміні шару зазор між майданчиками перехідних отворів робиться мінімальним (не перевищує відстані між шинами, якщо це доцільно);
- серпантиновой ділянки двох шин розташовуються в одній області так, щоб у позитивного і негативного сигналів були однакові затримки поширення протягом всієї довжини ланцюга.
Обрізка кутів і однакова довжина диференціальних провідників вимагає особливої уважності.
Крім провідників друкованої плати, в корпусі інтегральної схеми розташовуються шини, що з'єднують кожен висновок корпусу з висновком кристала ІС. Різна довжина цих шин в деяких випадках може вносити свої корективи.
Як чисельного прикладу розглянемо диференціальні шини з наступними довжинами сегментів:
для прямого сигналу
- довжина сегмента від виведення роз'єму до першого перехідного отвору = 3022.93 мил (76,78 мм),
- довжина сегмента між перехідними отворами = 747.97 мил (19,0 мм),
- довжина сегмента від другого перехідного отвору до виведення ІС = 27.8 міл (0,71 мм),
- загальна довжина ланцюга прямого сигналу = 3,798.70 мил (96,49 мм);
для інверсного сигналу
- довжина сегмента від виведення роз'єму до першого перехідного отвору = 3025.50 мил (76,78 мм),
- довжина сегмента між перехідними отворами = 817.87 мил (19,0 мм),
- довжина сегмента від другого перехідного отвору до виведення ІС = 27.8 міл (0,71 мм),
- загальна довжина ланцюга прямого сигналу = 3,871.17 мил (98,33 мм).
Таким чином, різниця в довжинах провідників друкованої плати становить 72.47 мил (1,84 мм).
Деяку частину отриманої різниці можна компенсувати, враховуючи різну довжину шин всередині корпусу ІС. При цьому різниця сумарних довжин трас стає в межах специфікованого допуску.
Малюнок 2 показує, що загальна довжина шини повинна бути продумана з точки зору зменшення різниці в довжинах диференціальних провідників.
Мал. 2. Сума (L0 + L1) повинна дорівнювати сумі (L2 + L3) в межах допустимої похибки
Повторюючи знову, бажано зберігати постійним відстань між краями провідників на всьому їх протязі. Дослідження диференціальної пари показують, що поблизу від висновків роз'єму шини втрачають паралельність один щодо одного. Малюнок 3 ілюструє схему розводки з мінімізацією цього недоліку при збереженні паралельності на великій довжині (утворюється при цьому гострий кут провідника інверсного сигналу може призводити до втрати його цілісності з витікаючими звідси наслідками - примітка перекладача). Така схема може застосовуватися у випадках, коли диференціальні сигнали повинні мати сильну зв'язок або при передачі високошвидкісних сигналів.
Мал. 3. Паралельна розводка провідників
Коли інтервал між двома трасами відносно великий (зв'язок між провідником і полігоном перевищує взаємозв'язок між провідниками), то пара стає слабо зв'язаної. І, навпаки, коли дві траси розташовані досить близько одне від одного (взаємозв'язок між ними більше зв'язку між окремим провідником і полігоном), то це означає, що провідники пари сильно пов'язані. Сильна зв'язок зазвичай не є необхідною для досягнення початкових переваг диференціальної структури. Проте, для досягнення гарної помехозащищенности сильний зв'язок бажана для комплементарно передаються, добре збалансованих сигналів, що володіють симетричним опором щодо опорного напруги.
Концепція диференціальної розводки в цьому випадку передбачає компланарні пари (тобто розташовані в одному шарі), що мають зв'язок по краях провідників. Диференціальні сигнали можуть також розлучатися і іншим способом, при якому провідники прямого і інверсного сигналів розташовуються на різних (сусідніх.) Шарах плати. Однак, такий спосіб може викликати проблеми з постійністю імпедансу. На малюнку 4 наведено обидва ці варіанти, а також деякі критичні розміри, такі як ширина (W), відстань між краями (S), товщина провідників (T) і дистанція між провідником і полігоном (H). Ці параметри, встановлюють геометрію поперечного перерізу диференціальної пари, часто використовуються (поряд з властивостями матеріалу провідників і діелектрика підкладки) для визначення значень імпедансів (для нерегулярного, рівноважного, синфазного і протидії фазного режимів) і для обчислення величини зв'язку між провідниками пари.
Мал. 4. Геометричні розміри перетину диференціальної пари