Có điều gì đó tuyệt vời về việc có thể sử dụng công nghệ và giao diện mới nhất trong thiết kế PCB của bạn. Chúng ta đang nói về những thứ như USB 3.0, HDMI, Ethernet, danh sách tiếp tục, bất cứ thứ gì bổ sung chức năng hiện đại cho thiết bị của bạn và làm cho nó nổi bật, nhưng có một sự đánh đổi khi thêm các công nghệ tiên tiến này vào bo mạch của bạn. Bất ngờ, chúng ném bạn vào thế giới thiết kế tốc độ cao. Trong một thế giới mà bạn cần chú ý hơn bao giờ hết đến các biến số như tính toàn vẹn tín hiệu (SI), nhiễu điện từ (EMI) và quan trọng nhất là tín hiệu vi sai, mặc dù bạn có thể đã sử dụng tính năng theo dõi một dòng trong quá khứ, nhưng nếu bạn muốn làm việc với công nghệ mới nhất, hãy chuẩn bị thêm tính năng theo dõi ghép nối vào hỗn hợp. Tín hiệu vi sai là gì? Và tại sao bạn cần nó cho thiết kế PCB tốc độ cao của mình, hãy cùng tìm hiểu.

Những gì bạn đã quen

Để hiểu tín hiệu vi sai, trước tiên bạn cần hiểu điều ngược lại - tín hiệu một đầu. Đừng để những cái tên lạ mắt làm bạn thất vọng. Đây là loại truyền tín hiệu mà bạn đã làm việc với thiết kế PCB không được coi là tốc độ cao. Truyền một đầu là tất cả về việc gửi tín hiệu từ máy phát đến máy thu chỉ với một dấu vết duy nhất. Đó là nó..

Điều này có nghĩa là bạn sẽ có một dấu vết đồng duy nhất mang tín hiệu của bạn đến đích, sau đó tín hiệu sẽ đi đến điểm chung và quay trở lại nguồn của bạn. Đây là một thực tế phổ biến trong mọi bố cục PCB tiêu chuẩn mà bạn có thể đã làm việc trong quá khứ. Bất cứ khi nào bạn vẽ một dấu vết trong Autodesk EAGLE và kết nối từ chân này sang chân khác, bạn có thể tạo kết nối. Sau đó, bạn đang làm việc với một tín hiệu một đầu.

Khi bạn bắt đầu nhồi nhét nhiều dấu vết và thành phần trong một không gian thực sự chật hẹp, bạn cần một giải pháp cho bất kỳ vấn đề nhiễu điện từ (EMI) tiềm ẩn nào, bởi vì nếu có bất cứ điều gì cần biết về các vấn đề EMI, thì đó là nó làm hỏng chất lượng tín hiệu mà bạn đang truyền. Đây là một ví dụ.:

• Giả sử bạn cần lưu trữ dữ liệu tại một điểm nhất định trong bộ nhớ DDR, vì vậy bạn gửi tín hiệu từ điểm A đến điểm B.
• Điều gì xảy ra trong hành trình của tín hiệu này nếu gặp nhiễu điện từ? Dữ liệu bên trong tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu.  Biến những con sóng vuông tuyệt đẹp của chúng ta thành một mớ hỗn độn mơ hồ.
• Tín hiệu bạn gửi kết thúc khó hiểu và không thể nhận ra.้

Để giúp bảo vệ tính toàn vẹn của tín hiệu trong suốt hành trình trong các thiết kế tốc độ cao, bạn cần một cách hiệu quả hơn để giữ an toàn cho dữ liệu của mình trong quá trình truyền so với truyền một đầu. Và đây là những gì truyền vi sai giúp ngăn chặn.

Tín hiệu vi sai là gì?

Tín hiệu vi sai sử dụng không chỉ một, mà là hai dấu vết hoạt động song song, không giống như tín hiệu một đầu. Đây là cách nó hoạt động - bạn có hai dấu vết mà cả hai đều có cùng tín hiệu, một trong số đó được coi là tín hiệu tích cực và dấu còn lại được coi là tín hiệu tiêu cực.

Và bằng cách phân tích cặp tín hiệu này và chênh lệch điện áp, máy thu của bạn có thể hiểu liệu tín hiệu này đang truyền tín hiệu 1 hay 0 hay điện áp cao hay thấp.

Vì vậy, đối với mỗi tín hiệu vi sai bạn muốn thêm vào bảng, bạn sẽ cần hai dấu vết xếp cạnh nhau. Ví dụ: nếu chúng ta có một bảng với 20 lưới khác nhau phải được kết nối, chúng ta sẽ cần tổng cộng 40 dấu vết để hoàn thành công việc.

Chúng tôi biết bạn có thể đang nghĩ gì ngay bây giờ - tại sao tôi lại muốn tăng gấp đôi số lượng dấu vết trên bố cục bảng của mình? Điều đó sẽ chiếm bất động sản có giá trị trên PCB có thể được sử dụng để đặt các thành phần và làm cho nhiệm vụ định tuyến của tôi dễ dàng hơn. Trong nháy mắt, bạn đã đúng, tín hiệu vi sai sẽ chiếm nhiều không gian hơn trên PCB của bạn, nhưng có những lợi ích thuận tiện khi triển khai các thiết kế tốc độ cao như::

Tách hệ thống điện

Điều này là do tín hiệu vi sai bằng nhau và ngược lại. Sau đó, bạn có thể tạo ra một thứ gì đó giống như tín hiệu tương tự cho thiết bị kỹ thuật số mà không phải lo lắng về việc vượt qua ranh giới nguồn. Điều này giúp dễ dàng cách ly hệ thống điện. Một điều cần lưu ý là nếu bạn đang làm việc với công nghệ USB hoặc RS-485, bạn có thể sẽ cần sử dụng mặt đất dùng chung để giữ tín hiệu vi sai của mình trong ngưỡng điện áp mong muốn.

Chống nhiễu điện từ đến

Bất kỳ nhiễu nào mà tín hiệu vi sai thấm vào sẽ được phân bổ đều giữa các dấu vết dương và âm, do đó làm giảm sự thay đổi biên độ được đề cập. EMI bên ngoài có thể xảy ra.้

Chống nhiễu điện từ ra

Tín hiệu vi sai của bạn tạo ra EMI của riêng nó trong khi truyền dữ liệu, giống như tín hiệu một đầu. Tuy nhiên, vì tín hiệu dương và âm trong vi sai có cùng cực và khoảng cách. Do đó, nó loại bỏ hiệu quả lượng khí thải EMI.

Điện áp thấp hơn

Tín hiệu vi sai cũng có thêm lợi ích là có thể hoạt động ở điện áp thấp hơn tín hiệu một đầu. Tất cả những điều này vẫn duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và với điện áp thấp hơn, bạn được hưởng lợi từ khả năng sử dụng điện áp thấp hơn, giảm tiêu thụ điện năng và giảm phát thải EMI.

Độ chính xác về thời gian

Tín hiệu một đầu có một số yếu tố cần xem xét để xác định loại trạng thái logic của chúng, chẳng hạn như điện áp của nguồn điện. Nhưng với tín hiệu vi sai, điều này dễ xác định hơn nhiều. Nếu dấu vết âm trong tín hiệu vi sai là điện áp cao hơn dấu vết dương, thì bạn có trạng thái logic cao và nếu ngược lại, thì bạn có trạng thái logic thấp.

‍

Sử dụng tín hiệu vi sai trong thiết kế của bạn

Bây giờ bạn đã hiểu tất cả những lợi ích tuyệt vời đi kèm với việc sử dụng tín hiệu vi sai trong thiết kế tốc độ cao của mình. Bạn có thể tự hỏi họ cần loại hạn chế nào. Như bạn có thể tưởng tượng, tất cả các lợi ích của truyền vi sai đều có rất nhiều trọng lượng trong việc giữ cho các dấu vết có độ dài và khoảng cách nhất quán với nhau mọi lúc, nếu không bạn sẽ làm hỏng lợi ích của điện áp và phân cực bằng nhau giữa hai loại. Dưới đây là ba mẹo đơn giản khi thiết lập các quy tắc thiết kế cho tín hiệu vi sai của bạn trong Autodesk EAGLE.:

• Quy tắc 1 – Giữ nguyên chiều dài đường mòn của bạn Nếu bạn không làm điều này, bạn sẽ làm hỏng tất cả các lợi ích của hai dấu vết được kết nối với nhau trong suốt hành trình của máy phát đến toàn bộ máy thu và mất điều đó có nghĩa là phải đối phó với các phát xạ EMI khó chịu có thể ảnh hưởng đến dữ liệu của bạn. Trong hầu hết các thiết bị, bạn có thể có sự chênh lệch chiều dài lên đến 500 mm, nhưng hãy giữ nó càng gần càng tốt.
• Quy tắc 2 – Các đường dẫn theo dõi vi sai gần nhau Đây được gọi là giao cấu, một lần nữa là mối quan tâm về EMI. Bạn định tuyến các tín hiệu vi sai với nhau càng nhiều, diện tích vòng lặp của dòng điện cảm ứng càng nhỏ, điều này có tác động trực tiếp đến âm lượng. EMI mà dấu vết của bạn sẽ phát ra Bằng cách giữ hai dấu vết gần nhau, bạn sẽ có thể hủy bỏ vấn đề EMI tốt hơn đáng kể.
• Quy tắc 3 - Giữ trở kháng của bạn nhất quán Điều quan trọng là phải giữ cho trở kháng theo dõi vi sai của bạn không đổi trong suốt thời gian đầu tư từ máy phát đến máy thu. Trở kháng của bạn sẽ phụ thuộc vào rất nhiều thứ, chẳng hạn như chiều rộng của dấu vết, độ dày của đồng và vật liệu bạn sử dụng trong các lớp của mình. Giảm các biến này, tính toán trở kháng của bạn cần là bao nhiêu và bám sát nó.

Sống với thời đại

Nếu bạn định làm việc với các công nghệ mới nhất trong thiết kế PCB của mình, chẳng hạn như USB 3.0, HDMI, DDR, Ethernet, v.v. Cặp vi sai sẽ là người bạn tốt nhất mới của bạn. Những dấu vết được kết nối chặt chẽ với nhau này không chỉ làm giảm EMI đến và đi mà còn giúp cách ly hệ thống điện dễ dàng hơn và có thể giảm điện áp tổng thể cần thiết để cung cấp năng lượng cho dự án của bạn. Hãy nhớ rằng để có được tất cả các lợi ích của truyền vi sai, bạn cần xác định nghiêm ngặt các quy tắc thiết kế của mình sao cho các dấu vết của bạn có cùng độ dài, với khoảng cách hẹp và trở kháng nhất định. Nếu không, bạn sẽ phá vỡ sự cân bằng có lợi của họ.!