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मूल बातें: सिंगल-एंडेड और डिफरेंशियल सिग्नलिंग
सबसे पहले, हमें डिफरेंशियल सिग्नलिंग और इसकी विशेषताओं पर जाने से पहले सिंगल-एंडेड सिग्नलिंग के बारे में कुछ मूल बातें सीखनी होंगी।
सिंगल-एंडेड सिग्नलिंग
सिंगल-एंडेड सिग्नलिंग एक प्रेषक से एक रिसीवर तक विद्युत संकेत संचारित करने का एक सरल और सामान्य तरीका है। विद्युत संकेत एक वोल्टेज (अक्सर एक अलग वोल्टेज) द्वारा प्रेषित होता है, जिसे एक निश्चित क्षमता के लिए संदर्भित किया जाता है, आमतौर पर एक 0 वी नोड जिसे "ग्राउंड" कहा जाता है।
एक कंडक्टर सिग्नल ले जाता है और एक कंडक्टर सामान्य संदर्भ क्षमता रखता है। सिग्नल से जुड़ा करंट प्रेषक से रिसीवर तक जाता है और ग्राउंड कनेक्शन के माध्यम से बिजली की आपूर्ति में वापस आ जाता है। यदि कई सिग्नल प्रसारित होते हैं, तो सर्किट को प्रत्येक सिग्नल के लिए एक कंडक्टर और एक साझा ग्राउंड कनेक्शन की आवश्यकता होगी; इस प्रकार, उदाहरण के लिए, 16 कंडक्टरों का उपयोग करके 17 संकेतों को प्रेषित किया जा सकता है।
सिंगल-एंडेड टोपोलॉजी
डिफरेंशियल सिग्नलिंग
डिफरेंशियल सिग्नलिंग, जो सिंगल-एंडेड सिग्नलिंग से कम आम है, एक सूचना सिग्नल को प्रसारित करने के लिए दो पूरक वोल्टेज सिग्नलों को नियोजित करता है। तो एक सूचना संकेत के लिए कंडक्टरों की एक जोड़ी की आवश्यकता होती है; एक सिग्नल को वहन करता है और दूसरा उल्टे सिग्नल को वहन करता है।
सिंगल-एंडेड बनाम डिफरेंशियल: जेनेरिक टाइमिंग डायग्राम
रिसीवर उल्टे और गैर-उल्टे संकेतों के बीच संभावित अंतर का पता लगाकर जानकारी निकालता है। दो वोल्टेज सिग्नल "संतुलित" हैं, जिसका अर्थ है कि उनके पास समान-मोड वोल्टेज के सापेक्ष समान आयाम और विपरीत ध्रुवीयता है। इन वोल्टेज से जुड़ी वापसी धाराएं भी संतुलित होती हैं और इस तरह एक दूसरे को रद्द कर देती हैं; इस कारण से, हम कह सकते हैं कि अंतर संकेतों में (आदर्श रूप से) ग्राउंड कनेक्शन के माध्यम से बहने वाली शून्य धारा होती है।
डिफरेंशियल सिग्नलिंग के साथ, प्रेषक और रिसीवर जरूरी एक सामान्य जमीनी संदर्भ साझा नहीं करते हैं। हालांकि, डिफरेंशियल सिग्नलिंग के उपयोग का मतलब यह नहीं है कि प्रेषक और रिसीवर के बीच जमीनी क्षमता में अंतर का सर्किट के संचालन पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।
यदि कई सिग्नल प्रसारित होते हैं, तो प्रत्येक सिग्नल के लिए दो कंडक्टर की आवश्यकता होती है, और ग्राउंड कनेक्शन को शामिल करना अक्सर आवश्यक या कम से कम फायदेमंद होता है, भले ही सभी सिग्नल अलग-अलग हों। इस प्रकार, उदाहरण के लिए, 16 संकेतों को प्रेषित करने के लिए 33 कंडक्टरों की आवश्यकता होगी (सिंगल-एंडेड ट्रांसमिशन के लिए 17 की तुलना में)। यह अंतर सिग्नलिंग का एक स्पष्ट नुकसान दर्शाता है।
डिफरेंशियल सिग्नलिंग टोपोलॉजी
विभेदक संकेतन के लाभ
हालांकि, डिफरेंशियल सिग्नलिंग के महत्वपूर्ण लाभ हैं जो बढ़े हुए कंडक्टर काउंट की भरपाई से अधिक हो सकते हैं।
नो रिटर्न करंट
चूंकि हमारे पास (आदर्श रूप से) कोई रिटर्न करंट नहीं है, इसलिए जमीनी संदर्भ कम महत्वपूर्ण हो जाता है। जमीनी क्षमता प्रेषक और रिसीवर में भिन्न हो सकती है या एक निश्चित स्वीकार्य सीमा के भीतर घूम सकती है। हालाँकि, आपको सावधान रहने की आवश्यकता है क्योंकि DC-युग्मित अंतर सिग्नलिंग (जैसे USB, RS-485, CAN) को आम तौर पर यह सुनिश्चित करने के लिए एक साझा ग्राउंड क्षमता की आवश्यकता होती है कि सिग्नल इंटरफ़ेस के अधिकतम और न्यूनतम स्वीकार्य सामान्य-मोड वोल्टेज के भीतर रहें।
आने वाली ईएमआई और क्रॉसस्टॉक का प्रतिरोध
यदि ईएमआई (विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप) या क्रॉसस्टॉक (यानी, आस-पास के संकेतों द्वारा उत्पन्न ईएमआई) को डिफरेंशियल कंडक्टरों के बाहर से पेश किया जाता है, तो इसे उल्टे और गैर-उल्टे सिग्नल में समान रूप से जोड़ा जाता है। रिसीवर दो संकेतों के बीच वोल्टेज में अंतर के प्रति प्रतिक्रिया करता है, न कि सिंगल-एंडेड (यानी, ग्राउंड-रेफरेंस) वोल्टेज के लिए, और इस प्रकार रिसीवर सर्किटरी हस्तक्षेप या क्रॉसस्टॉक के आयाम को बहुत कम कर देगा।
यही कारण है कि विभेदक संकेत ईएमआई, क्रॉसस्टॉक, या किसी अन्य शोर के प्रति कम संवेदनशील होते हैं जो जोड़े को अंतर जोड़ी के दोनों संकेतों में जोड़ते हैं।
आउटगोइंग ईएमआई और क्रॉसस्टॉक में कमी
तेजी से बदलाव, जैसे डिजिटल सिग्नल के बढ़ते और गिरते किनारे, महत्वपूर्ण मात्रा में ईएमआई उत्पन्न कर सकते हैं। सिंगल-एंडेड और डिफरेंशियल सिग्नल दोनों ईएमआई उत्पन्न करते हैं, लेकिन एक डिफरेंशियल पेयर में दो सिग्नल इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फील्ड बनाएंगे जो (आदर्श रूप से) परिमाण में बराबर होते हैं लेकिन ध्रुवीयता में विपरीत होते हैं। यह, दो कंडक्टरों के बीच निकटता बनाए रखने वाली तकनीकों के संयोजन में (जैसे कि ट्विस्टेड-पेयर केबल का उपयोग), यह सुनिश्चित करता है कि दो कंडक्टरों से उत्सर्जन काफी हद तक एक दूसरे को रद्द कर देगा।
लो-वोल्टेज ऑपरेशन
सिंगल-एंडेड सिग्नल को पर्याप्त सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) सुनिश्चित करने के लिए अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज बनाए रखना चाहिए। सामान्य सिंगल-एंडेड इंटरफ़ेस वोल्टेज 3.3 वी और 5 वी हैं। शोर के उनके बेहतर प्रतिरोध के कारण, अंतर सिग्नल कम वोल्टेज का उपयोग कर सकते हैं और अभी भी पर्याप्त एसएनआर बनाए रख सकते हैं। इसके अलावा, डिफरेंशियल सिग्नलिंग का एसएनआर एक समान सिंगल-एंडेड कार्यान्वयन के सापेक्ष दो के एक कारक द्वारा स्वचालित रूप से बढ़ जाता है, क्योंकि डिफरेंशियल रिसीवर पर डायनेमिक रेंज डिफरेंशियल जोड़ी के भीतर प्रत्येक सिग्नल की डायनेमिक रेंज से दोगुनी होती है।
कम सिग्नल वोल्टेज का उपयोग करके डेटा को सफलतापूर्वक स्थानांतरित करने की क्षमता कुछ महत्वपूर्ण लाभों के साथ आती है:
- कम आपूर्ति वोल्टेज का उपयोग किया जा सकता है।
-
छोटे वोल्टेज संक्रमण
- विकिरणित ईएमआई कम करें,
- बिजली की खपत कम करें, और
- उच्च परिचालन आवृत्तियों के लिए अनुमति दें।
उच्च या निम्न राज्य और सटीक समय
क्या आपने कभी सोचा है कि हम कैसे तय करते हैं कि कोई संकेत तर्क-उच्च या तर्क-निम्न स्थिति में है? सिंगल-एंडेड सिस्टम में, हमें बिजली आपूर्ति वोल्टेज, रिसीवर सर्किटरी की दहलीज विशेषताओं, शायद संदर्भ वोल्टेज के मूल्य पर विचार करना होगा। और निश्चित रूप से भिन्नताएं और सहनशीलताएं हैं, जो तर्क-उच्च-या-तर्क-निम्न प्रश्न में अतिरिक्त अनिश्चितता लाती हैं।
विभेदक संकेतों में, तर्क स्थिति का निर्धारण करना अधिक सरल है। यदि उल्टे सिग्नल का वोल्टेज उल्टे सिग्नल के वोल्टेज से अधिक है, तो आपके पास तर्क उच्च है। यदि गैर-उलटा वोल्टेज उल्टे वोल्टेज से कम है, तो आपके पास तर्क कम है। और दो राज्यों के बीच संक्रमण वह बिंदु है जिस पर गैर-उल्टे और उल्टे संकेत प्रतिच्छेद करते हैं - यानी, क्रॉसओवर बिंदु।
यह एक कारण है कि अंतर संकेतों को ले जाने वाले तारों या निशानों की लंबाई से मेल खाना महत्वपूर्ण है: अधिकतम समय सटीकता के लिए, आप चाहते हैं कि क्रॉसओवर बिंदु तर्क संक्रमण के बिल्कुल अनुरूप हो, लेकिन जब जोड़ी में दो कंडक्टर बराबर नहीं होते हैं लंबाई, प्रसार विलंब में अंतर क्रॉसओवर बिंदु को स्थानांतरित करने का कारण होगा।
अनुप्रयोगों
वर्तमान में कई इंटरफ़ेस मानक हैं जो विभेदक संकेतों को नियोजित करते हैं। इनमें निम्नलिखित शामिल हैं:
- LVDS (लो-वोल्टेज डिफरेंशियल सिग्नलिंग)
- सीएमएल (वर्तमान मोड लॉजिक)
- RS485
- RS422
- ईथरनेट
- कर सकते हैं
- यु एस बी
- उच्च गुणवत्ता वाला संतुलित ऑडियो
स्पष्ट रूप से, अनगिनत वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में व्यावहारिक उपयोग द्वारा विभेदक संकेतन के सैद्धांतिक लाभों की पुष्टि की गई है।
विभेदक निशानों को रूट करने के लिए बुनियादी पीसीबी तकनीक
अंत में, आइए जानें कि पीसीबी पर डिफरेंशियल ट्रैस कैसे रूट किए जाते हैं। रूटिंग डिफरेंशियल सिग्नल थोड़े जटिल हो सकते हैं, लेकिन कुछ बुनियादी नियम हैं जो प्रक्रिया को और अधिक सरल बनाते हैं।
लंबाई और लंबाई का मिलान - इसे समान रखें!
विभेदक संकेत (आदर्श रूप से) परिमाण में बराबर और ध्रुवता में विपरीत होते हैं। इस प्रकार, आदर्श स्थिति में, कोई भी शुद्ध वापसी धारा जमीन से प्रवाहित नहीं होगी। रिटर्न करंट का यह अभाव एक अच्छी बात है, इसलिए हम हर चीज को यथासंभव आदर्श रखना चाहते हैं, और इसका मतलब है कि हमें एक अंतर जोड़ी में दो निशानों के लिए समान लंबाई की आवश्यकता है।
आपके सिग्नल के उठने/गिरने का समय जितना अधिक होगा (सिग्नल की आवृत्ति के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए), उतना ही आपको यह सुनिश्चित करना होगा कि निशान समान लंबाई के हों। आपके लेआउट प्रोग्राम में एक विशेषता शामिल हो सकती है जो आपको विभेदक जोड़े के लिए ट्रेस की लंबाई को ठीक करने में मदद करती है। यदि आपको समान लंबाई प्राप्त करने में कठिनाई हो रही है, तो आप "मींडर" तकनीक का उपयोग कर सकते हैं।
मेन्डर्ड ट्रेस का एक उदाहरण
चौड़ाई और रिक्ति - इसे स्थिर रखें!
डिफरेंशियल कंडक्टर जितने करीब होंगे, सिग्नल की कपलिंग उतनी ही बेहतर होगी। उत्पन्न ईएमआई अधिक प्रभावी ढंग से रद्द हो जाएगी, और प्राप्त ईएमआई दोनों संकेतों में समान रूप से जोड़ेगी। इसलिए उन्हें वास्तव में एक साथ लाने की कोशिश करें।
हस्तक्षेप से बचने के लिए आपको डिफरेंशियल-पेयर कंडक्टरों को पड़ोसी सिग्नलों से यथासंभव दूर रखना चाहिए। आपके निशानों की चौड़ाई और स्थान को लक्ष्य प्रतिबाधा के अनुसार चुना जाना चाहिए और निशान की पूरी लंबाई पर स्थिर रहना चाहिए। इसलिए यदि संभव हो तो, पीसीबी के चारों ओर यात्रा करते समय निशान समानांतर रहना चाहिए।
प्रतिबाधा - विविधताओं को कम करें!
अंतर संकेतों के साथ एक पीसीबी डिजाइन करते समय सबसे महत्वपूर्ण चीजों में से एक है अपने आवेदन के लिए लक्ष्य प्रतिबाधा का पता लगाना और फिर अपने अंतर जोड़े को तदनुसार रखना। साथ ही, प्रतिबाधा भिन्नताओं को यथासंभव छोटा रखें।
आपकी अंतर रेखा का प्रतिबाधा ट्रेस की चौड़ाई, निशान के युग्मन, तांबे की मोटाई, और पीसीबी की सामग्री और परत स्टैक-अप जैसे कारकों पर निर्भर करता है। इनमें से प्रत्येक पर विचार करें क्योंकि आप ऐसी किसी भी चीज़ से बचने की कोशिश करते हैं जो आपके अंतर जोड़ी के प्रतिबाधा को बदल देती है।
समतल परत पर तांबे के क्षेत्रों के बीच के अंतराल पर उच्च गति के संकेतों को रूट न करें, क्योंकि यह आपके प्रतिबाधा को भी प्रभावित करता है। जमीनी विमानों में असंतुलन से बचने की कोशिश करें।
लेआउट अनुशंसाएँ - पढ़ें, विश्लेषण करें, और उन पर विचार करें!
और, अंतिम लेकिन कम से कम, एक बहुत महत्वपूर्ण बात है जो आपको अंतर के निशान को रूट करते समय करना है: चिप के लिए डेटाशीट और/या एप्लिकेशन नोट्स प्राप्त करें जो अंतर सिग्नल भेज रहा है या प्राप्त कर रहा है, लेआउट अनुशंसाओं के माध्यम से पढ़ें, और विश्लेषण करें उन्हें बारीकी से। इस तरह आप किसी विशेष डिज़ाइन की बाधाओं के भीतर सर्वोत्तम संभव लेआउट को लागू कर सकते हैं।
निष्कर्ष
डिफरेंशियल सिग्नलिंग हमें कम वोल्टेज, अच्छे एसएनआर, शोर के लिए बेहतर प्रतिरक्षा और उच्च डेटा दरों के साथ सूचना प्रसारित करने की अनुमति देता है। दूसरी ओर, कंडक्टर की संख्या बढ़ जाती है, और सिस्टम को मानक डिजिटल आईसी के बजाय विशेष ट्रांसमीटर और रिसीवर की आवश्यकता होगी।
आजकल, विभेदक संकेत LVDS, USB, CAN, RS-485, और ईथरनेट सहित कई मानकों का हिस्सा हैं, और इस प्रकार हम सभी को इस तकनीक से परिचित होना चाहिए (कम से कम)। यदि आप वास्तव में अंतर संकेतों के साथ एक पीसीबी डिजाइन कर रहे हैं, तो प्रासंगिक डेटाशीट और ऐप नोट्स से परामर्श करना याद रखें, और यदि आवश्यक हो तो इस लेख को फिर से पढ़ें!