พื้นฐาน: การส่งสัญญาณแบบปลายเดียวและแบบดิฟเฟอเรนเชียล

อันดับแรก เราต้องเรียนรู้พื้นฐานบางอย่างเกี่ยวกับการส่งสัญญาณแบบ single-ended ก่อนที่เราจะสามารถพิจารณาการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันและลักษณะของสัญญาณได้

การส่งสัญญาณแบบปลายเดียว

การส่งสัญญาณแบบปลายเดียวเป็นวิธีที่ง่ายและทั่วไปในการส่งสัญญาณไฟฟ้าจากผู้ส่งไปยังผู้รับ สัญญาณไฟฟ้าถูกส่งโดยแรงดันไฟฟ้า (มักเป็นแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน) ซึ่งอ้างอิงถึงศักย์คงที่ โดยปกติโหนด 0 V จะเรียกว่า "กราวด์"

ตัวนำหนึ่งตัวนำสัญญาณและตัวนำหนึ่งตัวมีศักย์อ้างอิงทั่วไป กระแสที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณเดินทางจากผู้ส่งไปยังผู้รับและกลับสู่แหล่งจ่ายไฟผ่านการเชื่อมต่อภาคพื้นดิน หากมีการส่งสัญญาณหลายตัว วงจรจะต้องใช้ตัวนำไฟฟ้าหนึ่งตัวต่อสัญญาณแต่ละตัว บวกกับการเชื่อมต่อกราวด์ที่ใช้ร่วมกันหนึ่งตัว ตัวอย่างเช่นสามารถส่งสัญญาณ 16 ตัวโดยใช้ตัวนำไฟฟ้า 17 ตัว

 

โทโพโลยีปลายเดียว

สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล

การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งน้อยกว่าการส่งสัญญาณแบบปลายเดียว ใช้สัญญาณแรงดันไฟเสริมสองสัญญาณเพื่อส่งสัญญาณข้อมูลหนึ่งสัญญาณ ดังนั้นสัญญาณข้อมูลหนึ่งสัญญาณจึงต้องการตัวนำคู่หนึ่ง อันหนึ่งถือสัญญาณและอีกอันถือสัญญาณกลับด้าน

 

ปลายเดี่ยวกับส่วนต่าง: ไดอะแกรมเวลาทั่วไป

 

เครื่องรับจะดึงข้อมูลโดยการตรวจจับความต่างศักย์ระหว่างสัญญาณแบบกลับด้านและไม่กลับด้าน สัญญาณแรงดันไฟทั้งสองแบบ "สมดุล" หมายความว่าพวกมันมีแอมพลิจูดเท่ากันและขั้วตรงข้ามสัมพันธ์กับแรงดันไฟโหมดทั่วไป กระแสย้อนกลับที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ยังมีความสมดุลและทำให้เกิดการตัดกัน ด้วยเหตุผลนี้ เราสามารถพูดได้ว่าสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลมี (ในอุดมคติ) กระแสไฟเป็นศูนย์ที่ไหลผ่านการเชื่อมต่อภาคพื้นดิน

ด้วยการส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน ผู้ส่งและผู้รับไม่จำเป็นต้องแบ่งปันการอ้างอิงภาคพื้นดินร่วมกัน อย่างไรก็ตาม การใช้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลไม่ได้หมายความว่าความต่างศักย์กราวด์ระหว่างผู้ส่งและผู้รับจะไม่มีผลต่อการทำงานของวงจร

หากมีการส่งสัญญาณหลายตัว จำเป็นต้องมีตัวนำสองตัวสำหรับทุกสัญญาณ และมักจะจำเป็นหรืออย่างน้อยก็มีประโยชน์ที่จะรวมการเชื่อมต่อกราวด์ด้วย แม้ว่าสัญญาณทั้งหมดจะมีความแตกต่างกันก็ตาม ตัวอย่างเช่น การส่งสัญญาณ 16 สัญญาณจะต้องใช้ตัวนำ 33 ตัว (เทียบกับ 17 สำหรับการส่งสัญญาณแบบปลายเดียว) สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงข้อเสียที่ชัดเจนของการส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน

 

โทโพโลยีสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล

ประโยชน์ของสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล

อย่างไรก็ตาม มีประโยชน์ที่สำคัญของการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันที่สามารถมากกว่าการชดเชยจำนวนตัวนำที่เพิ่มขึ้น

ไม่มีกระแสย้อนกลับ

เนื่องจากเรามี (ตามหลักแล้ว) ไม่มีกระแสย้อนกลับ การอ้างอิงภาคพื้นดินจึงมีความสำคัญน้อยลง ศักยภาพภาคพื้นดินอาจแตกต่างกันที่ผู้ส่งและผู้รับ หรือเคลื่อนที่ไปรอบๆ ภายในช่วงที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม คุณต้องระวังให้ดี เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันของ DC-coupled (เช่น USB, RS-485, CAN) นั้นต้องการศักย์ไฟฟ้าที่ใช้ร่วมกัน เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณจะอยู่ภายในแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปสูงสุดและต่ำสุดที่อนุญาตของอินเทอร์เฟซ

ความต้านทานต่อ EMI และ Crosstalk ที่เข้ามา

หาก EMI (การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า) หรือครอสทอล์ค (เช่น EMI ที่สร้างโดยสัญญาณใกล้เคียง) ถูกนำเข้าจากภายนอกตัวนำดิฟเฟอเรนเชียล มันจะถูกบวกเข้ากับสัญญาณกลับด้านและไม่กลับด้านเท่าๆ กัน เครื่องรับตอบสนองต่อความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างสัญญาณทั้งสองและไม่ใช่แรงดันไฟฟ้าแบบปลายเดียว (เช่น แบบอ้างอิงกราวด์) และด้วยเหตุนี้วงจรเครื่องรับจะลดแอมพลิจูดของการรบกวนหรือครอสทอล์คลงอย่างมาก

นี่คือเหตุผลที่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลมีความไวต่อ EMI, ครอสทอล์ค หรือสัญญาณรบกวนอื่นๆ ที่จับคู่เป็นสัญญาณทั้งสองของคู่ดิฟเฟอเรนเชียลน้อยกว่า

การลด EMI และ Crosstalk ขาออก

การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น ขอบที่เพิ่มขึ้นและลดลงของสัญญาณดิจิทัล สามารถสร้าง EMI จำนวนมากได้ ทั้งสัญญาณปลายเดี่ยวและดิฟเฟอเรนเชียลสร้าง EMI แต่สัญญาณทั้งสองในคู่ดิฟเฟอเรนเชียลจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ (ตามอุดมคติ) มีขนาดเท่ากัน แต่มีขั้วตรงข้าม ร่วมกับเทคนิคที่รักษาระยะห่างระหว่างตัวนำทั้งสอง (เช่น การใช้สายคู่บิดเกลียว) เพื่อให้แน่ใจว่าการปล่อยมลพิษจากตัวนำทั้งสองจะตัดกันเป็นส่วนใหญ่

การทำงานของแรงดันต่ำ

สัญญาณแบบปลายเดียวต้องรักษาแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เพียงพอ แรงดันไฟฟ้าอินเทอร์เฟซปลายเดียวทั่วไปคือ 3.3 V และ 5 V เนื่องจากความต้านทานที่ดีขึ้นต่อสัญญาณรบกวน สัญญาณที่แตกต่างกันจึงสามารถใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและยังคงรักษา SNR ที่เพียงพอได้ นอกจากนี้ SNR ของการส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลยังเพิ่มขึ้นโดยอัตโนมัติโดยแฟคเตอร์ของสองตัวที่สัมพันธ์กับการใช้งานแบบปลายเดียวที่เทียบเท่ากัน เนื่องจากช่วงไดนามิกที่ตัวรับดิฟเฟอเรนเชียลนั้นสูงเป็นสองเท่าของช่วงไดนามิกของแต่ละสัญญาณภายในคู่ดิฟเฟอเรนเชียล

ความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลได้สำเร็จโดยใช้แรงดันสัญญาณที่ต่ำกว่านั้นมาพร้อมกับข้อดีที่สำคัญบางประการ:

• สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าได้
• ทรานซิชั่นแรงดันไฟน้อย
  • ลด EMI ที่แผ่รังสี
  • ลดการใช้พลังงานและ
  • ให้ความถี่ในการทำงานสูงขึ้น

สถานะสูงหรือต่ำและเวลาที่แม่นยำ

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าเราตัดสินใจได้อย่างไรว่าสัญญาณอยู่ในสถานะตรรกะสูงหรือต่ำ? ในระบบปลายเดียว เราต้องพิจารณาแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ ลักษณะธรณีประตูของวงจรเครื่องรับ บางทีอาจเป็นค่าของแรงดันอ้างอิง และแน่นอนว่ามีความแตกต่างและความคลาดเคลื่อน ซึ่งทำให้เกิดความไม่แน่นอนเพิ่มเติมในคำถามเชิงตรรกะสูงหรือต่ำ

ในสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล การพิจารณาสถานะลอจิกนั้นตรงไปตรงมามากกว่า หากแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณที่ไม่กลับด้านสูงกว่าแรงดันของสัญญาณที่กลับด้าน แสดงว่าคุณมีตรรกะสูง หากแรงดันไฟฟ้าที่ไม่กลับด้านต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กลับด้าน แสดงว่าคุณมีตรรกะต่ำ และการเปลี่ยนแปลงระหว่างสองสถานะคือจุดที่สัญญาณที่ไม่กลับด้านและกลับด้านตัดกัน—กล่าวคือ จุดครอสโอเวอร์

นี่เป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องจับคู่ความยาวของสายไฟหรือร่องรอยที่มีสัญญาณต่างกัน: เพื่อความแม่นยำในการจับเวลาสูงสุด คุณต้องการให้จุดตัดขวางสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงตรรกะทุกประการ แต่เมื่อตัวนำทั้งสองในคู่ไม่เท่ากัน ความยาวความแตกต่างในการขยายพันธุ์ล่าช้าจะทำให้จุดครอสโอเวอร์เปลี่ยน

การใช้งาน

ขณะนี้มีมาตรฐานอินเทอร์เฟซมากมายที่ใช้สัญญาณที่แตกต่างกัน ซึ่งรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

• LVDS (การส่งสัญญาณแรงดันต่ำ)
• CML (ลอจิกโหมดปัจจุบัน)
• RS485
• RS422
• อีเธอร์เน็ต
• CAN
• USB
• เสียงบาลานซ์คุณภาพสูง

เห็นได้ชัดว่าข้อดีทางทฤษฎีของการส่งสัญญาณที่แตกต่างกันได้รับการยืนยันโดยการใช้งานจริงในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริงนับไม่ถ้วน

เทคนิค PCB พื้นฐานสำหรับการกำหนดเส้นทาง Differential Traces

สุดท้าย มาเรียนรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการกำหนดเส้นทางการติดตามความแตกต่างบน PCB สัญญาณความแตกต่างของการกำหนดเส้นทางอาจซับซ้อนเล็กน้อย แต่มีกฎพื้นฐานบางอย่างที่ทำให้กระบวนการตรงไปตรงมามากขึ้น

การจับคู่ความยาวและความยาว - ให้เท่ากัน!

สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล (ตามอุดมคติ) จะมีขนาดเท่ากันและมีขั้วตรงข้ามกัน ดังนั้น ในกรณีที่เหมาะสมที่สุด จะไม่มีกระแสย้อนกลับสุทธิไหลผ่านพื้นดิน การไม่มีกระแสย้อนกลับนี้เป็นสิ่งที่ดี ดังนั้นเราจึงต้องการให้ทุกอย่างอยู่ในอุดมคติที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และนั่นหมายความว่าเราต้องการความยาวเท่ากันสำหรับรอยสองเส้นในคู่ดิฟเฟอเรนเชียล

ยิ่งเวลาเพิ่มขึ้น/ตกของสัญญาณของคุณสูง (เพื่อไม่ให้สับสนกับความถี่ของสัญญาณ) ยิ่งคุณต้องแน่ใจว่าร่องรอยนั้นมีความยาวเท่ากัน โปรแกรมเลย์เอาต์ของคุณอาจมีคุณลักษณะที่ช่วยให้คุณปรับแต่งความยาวของการติดตามสำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียล หากคุณมีปัญหาในการบรรลุความยาวเท่ากัน คุณสามารถใช้เทคนิค "คดเคี้ยว"

 

ตัวอย่างของร่องรอยที่คดเคี้ยว

ความกว้างและระยะห่าง – ให้คงที่!

ยิ่งตัวนำดิฟเฟอเรนเชียลอยู่ใกล้กันมากเท่าไหร่ การเชื่อมต่อของสัญญาณก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น EMI ที่สร้างขึ้นจะยกเลิกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และ EMI ที่ได้รับจะจับคู่กับสัญญาณทั้งสองอย่างเท่าเทียมกันมากขึ้น ดังนั้นพยายามทำให้พวกเขาใกล้ชิดกันจริงๆ

คุณควรกำหนดเส้นทางตัวนำคู่ดิฟเฟอเรนเชียลให้ไกลจากสัญญาณข้างเคียงให้มากที่สุด เพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวน ควรเลือกความกว้างและช่องว่างระหว่างร่องรอยของคุณตามอิมพีแดนซ์เป้าหมาย และควรคงที่ตลอดความยาวของร่องรอย ดังนั้น ถ้าเป็นไปได้ ร่องรอยควรยังคงขนานกันเมื่อเคลื่อนที่ไปรอบๆ PCB

อิมพีแดนซ์ – ลดการเปลี่ยนแปลง!

สิ่งสำคัญที่สุดอย่างหนึ่งที่ต้องทำเมื่อออกแบบ PCB ด้วยสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลคือการค้นหาอิมพีแดนซ์เป้าหมายสำหรับแอปพลิเคชันของคุณ แล้วจัดวางคู่ดิฟเฟอเรนเชียลของคุณตามลำดับ และรักษาความผันแปรของอิมพีแดนซ์ให้น้อยที่สุด

อิมพีแดนซ์ของสายดิฟเฟอเรนเชียลของคุณขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความกว้างของรอย การต่อกันของรอยต่อ ความหนาของทองแดง วัสดุของ PCB และการแบ่งชั้น พิจารณาสิ่งเหล่านี้เมื่อคุณพยายามหลีกเลี่ยงสิ่งที่จะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ของดิฟเฟอเรนเชียลคู่ของคุณ

อย่ากำหนดเส้นทางสัญญาณความเร็วสูงบนช่องว่างระหว่างพื้นที่ทองแดงบนชั้นระนาบ เพราะสิ่งนี้จะส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ของคุณด้วย พยายามหลีกเลี่ยงความไม่ต่อเนื่องในระนาบพื้น

คำแนะนำเค้าโครง – อ่าน วิเคราะห์ และคิดมาก!

และสุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด มีสิ่งหนึ่งที่สำคัญมากที่คุณต้องทำเมื่อกำหนดเส้นทางการติดตามผลต่าง: รับแผ่นข้อมูลและ/หรือบันทึกการใช้งานสำหรับชิปที่ส่งหรือรับสัญญาณส่วนต่าง อ่านคำแนะนำเค้าโครง และวิเคราะห์ พวกเขาอย่างใกล้ชิด วิธีนี้ทำให้คุณสามารถใช้เลย์เอาต์ที่ดีที่สุดภายในข้อจำกัดของการออกแบบเฉพาะ

สรุป

การส่งสัญญาณแบบ Differential ช่วยให้เราส่งข้อมูลด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำลง, SNR ที่ดี, ปรับปรุงภูมิคุ้มกันต่อสัญญาณรบกวน และอัตราข้อมูลที่สูงขึ้น ในทางกลับกัน จำนวนตัวนำจะเพิ่มขึ้น และระบบจะต้องใช้ตัวส่งและตัวรับแบบพิเศษแทน IC ดิจิตอลมาตรฐาน

ทุกวันนี้ สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานมากมาย รวมถึง LVDS, USB, CAN, RS-485 และอีเธอร์เน็ต ดังนั้นเราจึงควร (อย่างน้อยที่สุด) คุ้นเคยกับเทคโนโลยีนี้ หากคุณกำลังออกแบบ PCB ด้วยสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล อย่าลืมอ่านเอกสารข้อมูลที่เกี่ยวข้องและบันทึกของแอป และหากจำเป็น โปรดอ่านบทความนี้อีกครั้ง!

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ