差分配对电缆及其使用时间

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在电子产品的世界里,信号如何从发送器传输到接收器往往与传输的内容同样重要。某些应用需要极高的可靠性和抗外界电气干扰能力,因此 “传统 “或 “普通 “的电缆根本无法胜任。

在集成电路集成到 PCBA 中的情况下,由于所涉及的硬件尺寸较小,通常无法完全抵御电磁干扰。为了实现同样的目标,许多工程师转而采用传输方式,这就是差分配对电缆发挥作用的地方。

无论应用如何,差分信号都是一个值得深入了解的话题。

什么是差分信号?

差分信号是一个术语,用于描述使用两种不同但互补的电信号进行电子传输的信息。同一信号实质上被设置为一对不同的信号,各自使用自己的导线,通常是双绞线。换句话说,当成对信号组合在一起时,两个完全互补的电压信号被用来传输一条信息。一个传输信号,另一个传输反相信号。

这是一种不太常见的替代技术,被称为单端信号,即电信号仍由电压和接地两根导线传输。

另一方面,对于差分信号,有关信息的发送方和接收方并不一定共享一个共同的接地参考。同样,如果同时传输多个信号,则每个信号都需要两个导体。通过屏蔽线或其他接地线进行接地连接也是必要的(或至少是建议的)。

使用差分信号时,信息接收器基本上是通过检测反相信号和非反相信号之间的差异来 “提取 “信息的。

为什么要使用差分信号?

差分信号有几个主要优点,是其他手段难以实现的。其中最大的优点可能就是在这种情况下没有回流。尽管接地连接是个好主意,但由于几乎没有回流,因此它的重要性低于其他技术。在很多情况下,发送方和接收方的地电位也可能不同,当然也可能在可接受的范围内移动。

差分信号就其本质而言,还具有很强的抗 EMI(电磁干扰)能力。由于接收器会对两个信号之间的电压差做出反应,因此接收器电路会显著降低任何存在的 EMI 或串扰的幅度。因此,传输质量更高、更稳定、更可靠。

同样,差分信号也有助于改善辐射发射。诚然,由于传输的是高频能量或数据,一定程度的电磁干扰是意料之中的,但差分信号产生的电磁场大小相等,但极性相反。这有助于确保两个导体产生的任何 EMI 基本上都能相互抵消。 辐射发射可望减少,从而提高电缆的有效屏蔽。

最后,差分信号可提供单端信号或电缆无法实现的低电压操作。在单端传输中,这些信号需要保持较高的电压,以尽可能获得最佳的 SNR(信噪比)。而差分信号和差分配对电缆则不同,因此您可以享受到以下优势:可以使用更低的电源电压、更小的电压转换、更低的功耗以及更高的传输频率。

使用差分信号的常见应用有哪些?

由于差分信号(和相关的差分配对电缆)在信号可靠性和减少电磁干扰方面的优势,它被广泛应用于需要高速数据和信息传输的各种不同应用中,这一点不足为奇。

例如,串行 ATA 电缆通常用于将硬盘驱动器连接到计算机。当这些接口采用差分线对时,在很多情况下数据传输速率可达 1.5 Gbit/s。

PCI Express 电缆是使用差分信号的另一种常见应用,它是一种高速串行计算机扩展总线标准。在大多数情况下,其数据传输速率可达 2.5 Gbit/s。

万兆以太网是另一种广泛受益于差分信号的情况,它是一种用于以 10 Gbit/s 的速率传输以太网帧的技术(因此得名)。请注意,在本示例中,这些电缆大多包含四个差分线对,每个线对的速率为 2.5 Gbit/s。

采用差分信号的其他接口标准包括但不限于 LVDS(低压差分信号)、CAN、USB、高质量平衡音频、CML(电流模式逻辑)等。

差分配对电缆最常见的导线尺寸、颜色和长度是什么?

大多数差分配对电缆都是 22 或 24 AWG,每条电缆都有自己独立的双绞护套铜导体。至于颜色,通常不是由差分信号本身决定的,而是由相关电缆的应用决定的。 通常情况下,双绞线对在布线图上的标注是:其中一条导线的护套颜色为纯色,另一条匹配导线的护套颜色为纯色,但带有白色条纹。两者结合在一起,表现为匹配线对。

例如,以太网电缆的颜色通常为黄色或白色。像上面提到的串行 ATA 电缆通常是黑色或黄色。USB 电缆通常为白色,PCI Express 电缆通常为黄色或黑色。不过,所有这些都会发生变化,以更好地反映和/或支持您正在使用的当前基础设施。

这些电缆的长度也是如此。例如,SCSI 设备中使用的差分配对电缆,如果采用高压差分信号,最大长度可达 25 米。单端 SCSI 的最大电缆长度在 1.5 米到 6 米之间,举例说明差异有多大。

接线图中通常如何识别差分配对电缆?

在大多数布线图中,差分配对电缆通常用水平线和一系列三角形来区分。每个较小的三角形代表两个导体中的一个,而水平线则代表正在传输的两个互补信号。发送器和接收器通常在大图中清晰地标出。这同样取决于实际应用,如在印刷电路板中使用差分对。

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