Yêu cầu băng thông cho tín hiệu đơn cuối so với tín hiệu kỳ dị

Như đã đề cập trong một bài viết trước, cùng với các đường truyền có kết thúc dạng chuỗi, tín hiệu vi sai phục vụ như là các liên kết cho hầu hết các thiết bị CMOS. Một trong những điểm khác biệt chính giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai là yêu cầu băng thông của một đường truyền tín hiệu vi sai ít đòi hỏi hơn nhiều so với những yêu cầu dành cho đường truyền tín hiệu đơn hoạt động ở cùng một tần số. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về lợi ích của tín hiệu vi sai và cách nó hoạt động trong một sản phẩm điện tử đang hoạt động.

Một Cái Nhìn Nhanh về Lợi Ích của Tín Hiệu Vi Sai

Điểm dữ liệu đầu tiên về tín hiệu vi sai là chúng thường có biên độ tín hiệu nhỏ hơn nhiều so với tín hiệu đơn và hầu như luôn được kết thúc song song. Điều này dẫn đến tổng dòng điện cung cấp gần như không đổi khi nó chuyển hướng trên các dây tín hiệu. Các ưu điểm cụ thể của tín hiệu vi sai bao gồm:

• Tải điện là dòng điện và không đổi.
• Cả dòng điện tín hiệu và dòng điện trả về cho hai dây đều bằng nhau và ngược hướng.
  • Điều này tạo ra tổng dòng điện không đổi trên các giao diện gói.
• Vì cả hai đường tín hiệu trong tín hiệu vi sai đều di chuyển song song, chúng có xu hướng nhận cùng một lượng nhiễu được cảm ứng từ việc ghép nối với mặt phẳng mà chúng di chuyển trên đó.
  • Tín hiệu vi sai không nhận cùng một lượng nhiễu cảm ứng từ các vết dấu kề cận.
• Bộ thu vi sai loại bỏ các vấn đề phát sinh từ sự sụt giảm tiếp địa hoặc sự thay đổi nguồn cung cấp điện giữa các thành phần.
• Tín hiệu vi sai có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn nhiều so với tín hiệu đơn cuối.

Xét về điều trước đó, có vẻ như sử dụng tín hiệu vi sai là một lựa chọn "không cần suy nghĩ". Nhưng, có một nhược điểm - chúng yêu cầu việc tuần tự hóa dữ liệu ở một đầu và giải tuần tự hóa dữ liệu ở đầu kia.

Cũng có một quan niệm sai lầm thường được áp dụng cho tín hiệu vi sai: Đặc tính được gán cho tín hiệu vi sai là việc định tuyến cặp bên cạnh nhau trên một PCB cung cấp khả năng từ chối nhiễu chế độ chung. Như đã thảo luận trong các bài viết trước, điều này không phải là trường hợp.

Cách Các Loại Logic Hoạt Động

Logic Thực

Trước khi đi sâu vào cách hoạt động của logic đơn cuối so với cách hoạt động của logic vi sai, việc xem xét cách hoạt động của logic thực là hữu ích. Điều này được giải quyết trong các điểm sau.

• Tín hiệu logic thực không phải là sóng vuông hoàn hảo.
• Các trình điều khiển thực tế có khả năng tạo ra các hài âm cao hơn của tần số đồng hồ một cách hạn chế, dẫn đến việc các cạnh được làm tròn, như được hiển thị trong hình vẽ bên trái của Hình 1.

• Các trình điều khiển chậm hơn tạo ra các cạnh chậm hơn như được thấy ở phía bên phải của hình vẽ trong Hình 1.

Logic Đầu Cuối Đơn

Các đặc điểm hoạt động chính của logic đầu cuối đơn bao gồm:

• Các đường dẫn logic đầu cuối đơn có các đầu vào phản ứng với các cạnh tăng và giảm của các tín hiệu logic.
  • Khi một cạnh tăng hoặc giảm đi qua một điện áp ngưỡng (thường là giữa mức logic 1 và mức logic 0), một sự thay đổi logic được phát hiện.
• Mức độ chính xác của thời gian thay đổi logic phụ thuộc vào tốc độ hoặc độ sắc nét của cạnh đó.
  • Các cạnh chậm hơn dẫn đến việc phát hiện kém chính xác thời điểm thay đổi trạng thái logic.
• Để bảo tồn độ chính xác logic, đường dẫn tín hiệu phải truyền qua nhiều hài âm cao hơn của tần số đồng hồ.
• Hài âm là thuật ngữ được sử dụng để mô tả sự méo mó của một sóng sin bởi các dạng sóng khác có tần số khác nhau.

Thông Tin Quan Trọng Về Hài Âm Tín Hiệu so với Thời Gian Tăng và Ảnh Hưởng của Chúng đối với Đường Dẫn Dữ Liệu Đầu Cuối Đơn

Để hiểu cách hoạt động của tín hiệu đơn cuối, việc xem xét vai trò của hài hòa tín hiệu so với thời gian tăng là hữu ích. Những điểm dữ liệu này bao gồm:

• Biến đổi Fourier của một hình dạng sóng tạo ra các hài hòa có mặt trong hình dạng sóng cũng như biên độ của chúng.
  • Phân tích Fourier là một phép toán toán học trên hình dạng sóng điện áp chuyển đổi nó từ miền thời gian sang miền tần số hoặc ngược lại.
• Sơ đồ ở bên trái của Hình 2 cho thấy nội dung tần số của một đường truyền logic có tần số đồng hồ là 100 MHz với thời gian tăng chậm. Các thành phần chính là các hài hòa lẻ của tần số này.

• Sơ đồ ở bên phải của Hình 2 là cùng một hình dạng sóng như bên trái nhưng với thời gian tăng và giảm nhanh hơn. Có thể thấy rằng các hài hòa tần số cao hơn nhiều lớn hơn ở bên phải so với bên trái.
  • Một đường truyền tín hiệu có băng thông thấp sẽ gây ra sự chậm trễ của các cạnh như được hiển thị ở bên trái của Hình 2. Điều này dẫn đến hoạt động kém đáng tin cậy của đường truyền dữ liệu đơn cuối.

Cách Một Tín Hiệu Đối Xứng Hoạt Động

Hình 3 mô tả một đường truyền dữ liệu đối xứng.

Trái ngược với cách hoạt động của đường truyền dữ liệu đơn cuối, các khía cạnh hoạt động chính của tín hiệu vi sai bao gồm:

• Đường truyền dữ liệu vi sai quyết định khi nào một sự thay đổi trạng thái logic diễn ra bằng cách phát hiện khi hai tín hiệu bằng nhau và đối lập giao nhau như được hiển thị trong Hình 4.

• Trái ngược với đường truyền dữ liệu đơn cuối, đường truyền dữ liệu vi sai có yêu cầu khác biệt về cách thức hoạt động. Với tín hiệu vi sai, trọng tâm là sự chính xác của điểm giao nhau. Nó không phụ thuộc vào thời gian tăng của tín hiệu. 

Các điểm nổi bật liên quan đến tín hiệu vi sai được hiển thị trong Hình 4 như sau:

• Như có thể thấy, tín hiệu vi sai trong Hình 4 có vẻ ngoài của một “mắt”.
  • Đó là lý do tại sao đồ họa này được gọi là “biểu đồ mắt” trong ngành công nghiệp SI.
• Hai điều kiện cần thiết để một đường truyền tín hiệu vi sai hoạt động đúng cách. Chúng bao gồm:
  • "Mắt" phải đủ mở để cho phép bộ thu phát hiện trạng thái logic một cách chính xác. (Một số bộ thu chỉ cần bốn hoặc năm milivôn để làm điều này.)
  • Một sự thay đổi trạng thái logic được phát hiện ở nơi các tín hiệu giao nhau. Sự di chuyển liên quan đến sự thay đổi này không được di chuyển quá nhiều về phía trước và phía sau. Nếu điều này xảy ra quá thường xuyên, kết quả sẽ là jitter, và tín hiệu sẽ suy giảm.
  • Các điều kiện trước đây được đáp ứng khi tín hiệu không nhiều hơn một sóng sin hoặc hài hòa đầu tiên của tần số đồng hồ.

Dựa trên những gì đã trình bày, các xác định sau đây có thể được thực hiện liên quan đến yêu cầu băng thông của tín hiệu vi sai. Những xác định này bao gồm:

• Dựa trên cuộc thảo luận trước đó liên quan đến Hình 4, có thể xác định rằng yêu cầu băng thông của một đường truyền tín hiệu vi sai ít đòi hỏi hơn nhiều so với một đường truyền dữ liệu đơn cuối với tần số tương tự.
• Việc truyền tín hiệu thành công với đường truyền dữ liệu chênh lệch đòi hỏi băng thông đường truyền chỉ cần nhiều hơn một chút so với tần số đồng hồ.
  • Ví dụ, một đường truyền dữ liệu 6.125 Gb/S có tần số đồng hồ là 3.0625 GHz. Một đường truyền dữ liệu với băng thông chỉ hơn một chút so với 3 GHz sẽ hoạt động đúng cách với tốc độ dữ liệu này.
• Một đường truyền dữ liệu đơn cuối với cùng tốc độ dữ liệu sẽ yêu cầu băng thông khoảng 40 GHz để hoạt động đúng cách.

Tóm tắt

Trái ngược với tín hiệu đơn cuối, yêu cầu về băng thông cho một đường truyền tín hiệu chênh lệch ít đòi hỏi hơn nhiều so với một đường truyền tín hiệu đơn cuối hoạt động ở cùng một tần số. Tín hiệu chênh lệch mang lại một số lợi ích đáng kể về một đường truyền tải có tải trọng ổn định và dòng điện; tín hiệu và dòng điện bằng nhau và ngược hướng; tín hiệu không nhận cùng lượng nhiễu được tiêm vào như tín hiệu đơn cuối; một bộ thu loại bỏ các vấn đề phát sinh từ sự sụt giảm tiếp đất hoặc sự thay đổi nguồn cung cấp điện giữa các thành phần và tín hiệu hoạt động ở tốc độ cao hơn nhiều so với tín hiệu đơn cuối.

Có thêm câu hỏi? Gọi cho chuyên gia tại Altium.

Tham khảo:

1. Ritchey, Lee W., và Zasio, John J., Làm Đúng từ Lần Đầu, Một Sổ Tay Thực Hành về Thiết Kế PCB và Hệ Thống Tốc Độ Cao, Tập 1 và 2.
2. Khóa Học 3 ngày của Speeding Edge, “Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu và Thiết Kế Hệ Thống và Đạt tới 32 Gb/S, Cách Thiết Kế Cặp Điện Áp Phân Biệt Tốc Độ Cao.”
3. Khóa Học 1 ngày của Speeding Edge, “Đạt tới 32Gb/S Cách Thiết Kế Cặp Điện Áp Phân Biệt Tốc Độ Cao.”