มีบางอย่างที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับความสามารถในการใช้เทคโนโลยีและอินเทอร์เฟซล่าสุดในการออกแบบ PCB ของคุณ เรากําลังพูดถึงสิ่งต่างๆ เช่น USB 3.0, HDMI, อีเธอร์เน็ต รายการดําเนินต่อไป อะไรก็ตามที่เพิ่มฟังก์ชันการทํางานสมัยใหม่ให้กับอุปกรณ์ของคุณและทําให้โดดเด่น แต่มีการแลกเปลี่ยนเมื่อเพิ่มเทคโนโลยีขั้นสูงเหล่านี้ลงในบอร์ดของคุณ จู่ๆ พวกเขาก็โยนคุณเข้าสู่โลกแห่งการออกแบบความเร็วสูง ในโลกนี้ที่คุณต้องใส่ใจกับตัวแปรมากกว่าที่เคย เช่น ความสมบูรณ์ของสัญญาณ (SI) การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และที่สําคัญที่สุดคือการส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล แม้ว่าคุณอาจเคยใช้การติดตามบรรทัดเดียวในอดีต แต่หากคุณต้องการทํางานกับเทคโนโลยีล่าสุด ให้เตรียมเพิ่มการติดตามที่จับคู่ลงในส่วนผสม การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลคืออะไร และเหตุใดคุณจึงต้องใช้มันกับการออกแบบ PCB ความเร็วสูงของคุณ มาหาคําตอบกัน

สิ่งที่คุณคุ้นเคย

ในการทําความเข้าใจการส่งสัญญาณที่แตกต่าง ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจสิ่งที่ตรงกันข้าม – การส่งสัญญาณปลายเดียว อย่าปล่อยให้ชื่อแฟนซีทําให้คุณผิดหวัง นี่คือประเภทของการส่งสัญญาณที่คุณเคยทํางานกับการออกแบบ PCB ที่ไม่ถือว่าเป็นความเร็วสูง ตามชื่อที่แนะนํา การส่งสัญญาณปลายเดียวเป็นเรื่องเกี่ยวกับการส่งสัญญาณจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับด้วยร่องรอยเดียว แค่นั้นแหละ.

ซึ่งหมายความว่าคุณจะมีร่องรอยทองแดงเส้นเดียวที่นําสัญญาณของคุณไปยังปลายทาง และจากนั้นสัญญาณจะมุ่งหน้าไปยังจุดร่วมและกลับไปยังแหล่งที่มาของคุณ นี่เป็นแนวทางปฏิบัติทั่วไปในทุกเค้าโครง PCB มาตรฐานที่คุณอาจเคยทํางานในอดีต เมื่อใดก็ตามที่คุณวาดร่องรอยใน Autodesk EAGLE และเชื่อมต่อจากพินหนึ่งไปยังอีกพินหนึ่ง จากนั้นคุณกําลังทํางานกับสัญญาณปลายเดียว

เมื่อคุณเริ่มยัดเยียดร่องรอยและส่วนประกอบจํานวนมากในพื้นที่แคบจริงๆ คุณต้องมีวิธีแก้ไขปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่อาจเกิดขึ้น เพราะหากมีอะไรที่ต้องรู้เกี่ยวกับปัญหา EMI ก็คือมันจะทําให้คุณภาพของสัญญาณที่คุณส่งยุ่งเหยิงได้อย่างยอดเยี่ยม นี่คือตัวอย่าง:

• สมมติว่าคุณต้องจัดเก็บข้อมูลลงในจุดใดจุดหนึ่งในหน่วยความจํา DDR ดังนั้นคุณจึงส่งสัญญาณจากจุด A ไปยังจุด B
• จะเกิดอะไรขึ้นระหว่างการเดินทางของสัญญาณนี้หากพบการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ข้อมูลภายในสัญญาณอาจได้รับผลกระทบจากการรบกวน  เปลี่ยนคลื่นสี่เหลี่ยมที่สวยงามของเราให้กลายเป็นความยุ่งเหยิงที่คลุมเครือ
• สัญญาณที่คุณส่งก็จบลงด้วยความสับสนและจําไม่ได้

เพื่อช่วยปกป้องความสมบูรณ์ของสัญญาณตลอดการเดินทางในการออกแบบความเร็วสูงคุณต้องมีวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการรักษาข้อมูลระหว่างการส่งของคุณให้ปลอดภัยมากกว่าการส่งสัญญาณปลายเดียว และนี่คือสิ่งที่การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลช่วยป้องกัน

การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลคืออะไร

สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลใช้ประโยชน์จากร่องรอยที่ไม่ใช่หนึ่ง แต่เป็นสองร่องรอยที่ทํางานควบคู่กันซึ่งแตกต่างจากสัญญาณปลายเดียว นี่คือวิธีการทํางาน – คุณมีร่องรอยสองอันที่ทั้งคู่มีสัญญาณเดียวกัน ซึ่งหนึ่งในนั้นถือเป็นสัญญาณบวก และร่องรอยอีกอันถือเป็นสัญญาณเชิงลบ

เมื่อข้อมูลถูกส่งไปตามการจัดเรียงการติดตามคู่นี้และมาถึงปลายทางผู้รับสามารถดึงข้อมูลโดยการวิเคราะห์ความต่างศักย์ระหว่างสัญญาณบวกและลบ และด้วยการวิเคราะห์สัญญาณคู่นี้และความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเครื่องรับของคุณสามารถทําความเข้าใจได้ว่าสัญญาณนี้กําลังส่งสัญญาณ 1 หรือ 0 หรือแรงดันไฟฟ้าสูงหรือต่ํา

ดังนั้นสําหรับทุกสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลที่คุณต้องการเพิ่มบนบอร์ด คุณจะต้องมีร่องรอยสองอันเรียงกันเคียงข้างกัน ตัวอย่างเช่น หากเรามีบอร์ดที่มีตาข่ายที่แตกต่างกัน 20 ตาข่ายที่ต้องเชื่อมต่อ เราจะต้องมีร่องรอยทั้งหมด 40 รายการเพื่อให้งานสําเร็จลุล่วง

เรารู้ว่าคุณอาจกําลังคิดอะไรอยู่ตอนนี้ – ทําไมในโลกนี้ฉันถึงต้องการเพิ่มจํานวนร่องรอยบนเค้าโครงกระดานของฉันเป็นสองเท่า นั่นจะใช้อสังหาริมทรัพย์ที่มีค่าบน PCB ที่สามารถใช้สําหรับการจัดวางส่วนประกอบและทําให้งานกําหนดเส้นทางของฉันง่ายขึ้น เมื่อมองแวบเดียวคุณพูดถูกสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลจะใช้พื้นที่บน PCB ของคุณมากกว่า แต่มีประโยชน์ที่สะดวกในการใช้งานการออกแบบความเร็วสูงเช่น:

แยกระบบไฟฟ้าออกจากกัน

เนื่องจากสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลมีความเท่ากันและตรงกันข้าม จึงไม่จําเป็นต้องส่งสัญญาณกลับไปยังพื้นดิน จากนั้นคุณสามารถสร้างบางอย่างเช่นสัญญาณแอนะล็อกไปยังอุปกรณ์ดิจิทัลโดยไม่ต้องกังวลว่าจะข้ามขอบเขตพลังงาน ทําให้ง่ายต่อการแยกระบบไฟฟ้าออกจากกัน สิ่งหนึ่งที่ควรจําไว้คือหากคุณกําลังทํางานกับเทคโนโลยี USB หรือ RS-485 คุณมักจะต้องใช้กราวด์ที่ใช้ร่วมกันเพื่อให้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลของคุณอยู่ภายในเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ

ต่อต้านการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามา

การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลยังมีประโยชน์เพิ่มเติมในการลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาหรือครอสทอล์คจากร่องรอยที่มีเสียงดังอื่นๆ การรบกวนใด ๆ ที่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลซึมเข้าไปจะกระจายอย่างเท่าเทียมกันระหว่างร่องรอยบวกและลบซึ่งจะช่วยลดการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่ปัญหา EMI ภายนอกอาจเกิดขึ้นได้

ต่อต้านการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าขาออก

สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลของคุณจะสร้าง EMI ของตัวเองในขณะที่ส่งข้อมูล เช่นเดียวกับสัญญาณปลายเดียว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสัญญาณบวกและลบในดิฟเฟอเรนเชียลมีขั้วและระยะทางเท่ากัน จึงเป็นการยกเลิกการปล่อย EMI ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แรงดันไฟฟ้าที่ต่ํากว่า

สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลยังมีประโยชน์เพิ่มเติมในความสามารถในการทํางานที่แรงดันไฟฟ้าต่ํากว่าสัญญาณปลายเดียว ทั้งหมดนี้ยังคงรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ํากว่าคุณจะได้รับประโยชน์จากความสามารถในการใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ํากว่าลดการใช้พลังงานและลดการปล่อย EMI

ความแม่นยําของเวลา

สัญญาณปลายเดี่ยวมีปัจจัยหลายประการที่ต้องพิจารณาเพื่อพิจารณาว่าสัญญาณเหล่านั้นอาจอยู่ในสถานะลอจิกประเภทใด เช่น แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ แรงดันอ้างอิง ฯลฯ แต่ด้วยสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลสิ่งนี้ง่ายกว่ามากที่จะระบุ หากร่องรอยเชิงลบในสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าการติดตามเชิงบวกแสดงว่าคุณมีสถานะตรรกะสูงและหากเป็นในทางกลับกันแสดงว่าคุณมีสถานะตรรกะต่ํา

‍

การใช้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลในการออกแบบของคุณ

ตอนนี้คุณเข้าใจถึงประโยชน์ที่ยอดเยี่ยมทั้งหมดที่มาพร้อมกับการใช้การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลในการออกแบบความเร็วสูงของคุณแล้ว คุณอาจสงสัยว่าพวกเขาต้องการข้อจํากัดประเภทใด อย่างที่คุณอาจจินตนาการได้ว่าประโยชน์ทั้งหมดของการส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลมีน้ําหนักอย่างมากในการรักษาร่องรอยเหล่านั้นให้มีความยาวและช่องว่างที่สม่ําเสมอจากกันตลอดเวลามิฉะนั้นคุณจะทําให้ประโยชน์ของแรงดันไฟฟ้าและขั้วที่เท่ากันระหว่างทั้งสองยุ่งเหยิง ต่อไปนี้เป็นเคล็ดลับง่ายๆ สามข้อเมื่อตั้งค่ากฎการออกแบบสําหรับสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลของคุณใน Autodesk EAGLE:

• กฎข้อที่ 1 – รักษาร่องรอยของคุณให้มีความยาวเท่ากัน หากคุณไม่ทําเช่นนี้ คุณจะทําลายประโยชน์ทั้งหมดของร่องรอยสองร่องรอยที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันตลอดการเดินทางของเครื่องส่งไปยังเครื่องรับทั้งหมด และการสูญเสียนั่นหมายถึงการจัดการกับการปล่อย EMI ที่น่ารังเกียจซึ่งอาจทําให้ข้อมูลของคุณเสียหายได้ ในอุปกรณ์ส่วนใหญ่ คุณสามารถมีความแตกต่างของความยาวได้ถึง 500 มิลลิเมตร แต่เก็บไว้ใกล้ที่สุด
• กฎข้อที่ 2 – เส้นทางการติดตามส่วนต่างใกล้กัน เรียกว่าการมีเพศสัมพันธ์ ซึ่งกลับมาเป็นความกังวลเกี่ยวกับ EMI อีกครั้ง ยิ่งคุณกําหนดเส้นทางสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเข้าด้วยกันมากเท่าไหร่คุณก็ยิ่งทําให้พื้นที่ลูปของกระแสเหนี่ยวนํามีขนาดเล็กลงเท่านั้นซึ่งมีผลกระทบโดยตรงต่อปริมาณ EMI ที่ร่องรอยของคุณจะปล่อยออกมา การเก็บร่องรอยสองร่องไว้ใกล้กัน จะทําให้คุณไม่สามารถยกเลิกปัญหา EMI ได้ดีขึ้นอย่างมาก
• กฎข้อที่ 3 – รักษาอิมพีแดนซ์ของคุณให้สอดคล้องกัน สิ่งสําคัญคือต้องรักษาอิมพีแดนซ์การติดตามดิฟเฟอเรนเชียลของคุณให้คงที่ตลอดระยะเวลาของการลงทุนจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับ อิมพีแดนซ์ของคุณจะขึ้นอยู่กับหลายสิ่งหลายอย่างเช่นความกว้างของร่องรอยความหนาของทองแดงและวัสดุที่คุณใช้ในชั้นของคุณซ้อนกัน ลดตัวแปรเหล่านี้คํานวณว่าอิมพีแดนซ์ของคุณต้องมีอะไรและยึดติดกับมัน

อยู่กับยุคสมัย

หากคุณกําลังจะทํางานกับเทคโนโลยีล่าสุดในการออกแบบ PCB ของคุณ เช่น USB 3.0, HDMI, DDR, Ethernet เป็นต้น คู่ดิฟเฟอเรนเชียลจะเป็นเพื่อนที่ดีที่สุดคนใหม่ของคุณ ร่องรอยที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยลด EMI ขาเข้าและขาออก แต่ยังทําให้ง่ายต่อการแยกระบบไฟฟ้าออกจากกัน และสามารถลดแรงดันไฟฟ้าโดยรวมที่จําเป็นในการจ่ายไฟให้กับโครงการของคุณ โปรดจําไว้ว่าเพื่อให้ได้ประโยชน์ทั้งหมดของการส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลคุณต้องกําหนดกฎการออกแบบของคุณอย่างเคร่งครัดเพื่อให้ร่องรอยของคุณมีความยาวเท่ากันโดยมีระยะห่างที่แคบและอิมพีแดนซ์ที่แน่นอน หากคุณไม่ทําเช่นนั้น คุณจะทําลายความสมดุลที่เป็นประโยชน์ของพวกเขา!