Cặp Dây Đối Xứng Không Có Mặt Đất: Liệu Có Phải Là Vấn Đề?

Các cặp vi sai đã giúp giải quyết một số vấn đề cơ bản về tính toàn vẹn tín hiệu, và các công cụ CAD hiện đại làm cho việc thiết kế và định tuyến chúng trở nên dễ dàng. Tuy nhiên, cặp vi sai không phải là giải pháp cho mọi vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu, mặc dù chúng hữu ích trong việc giảm tiếng ồn chung ở mức thu thấp. Có một câu hỏi luôn được đặt ra khi thảo luận về việc định tuyến cặp vi sai: liệu những đường dẫn này có cần một mặt đất không?

Đôi khi, câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào người bạn hỏi và ví dụ lý thuyết nào bạn sử dụng để giải thích cách cặp vi sai hoạt động. Giống như hầu hết các câu hỏi kỹ thuật mà chúng ta gặp phải trên blog này và các blog khác, có những hạt giống của sự thật trong tất cả các câu trả lời bạn sẽ tìm thấy cho câu hỏi này, và dễ dàng lấy những điểm đó ra khỏi ngữ cảnh. Hãy xem khi nào bạn cần sử dụng mặt đất cặp vi sai, và khi nào việc định tuyến cặp vi sai mà không có mặt đất chỉ là một ý tưởng tồi.

Mặt Đất Cặp Vi Sai Là Gì?

Nếu bạn muốn biết khi nào thích hợp để định tuyến cặp vi sai mà không có mặt đất, bạn cần biết mặt đất làm gì và tại sao nó quan trọng. Đầu tiên, hãy xem mặt đất làm gì về mặt vật lý (không chỉ là một dẫn điện đồng lớn):

• Điện dung: Khi kết hợp với một lớp mặt đất ở lớp liền kề, bạn vừa tạo ra một tụ điện có kích thước lớn về mặt vật lý. Khi hai lớp này ở gần nhau (lớp cách điện mỏng giữa các lớp), bạn sẽ có điện dung giữa các lớp lớn hơn.
• Chắn: Một lớp mặt đất cung cấp một nguồn/nơi tiếp nhận điện tích lớn. Cách mà điện tích được rút ra hoặc tiếp nhận vào lớp mặt đất cơ bản là không quan trọng. Ngoài ra, nó cung cấp điện tích ảnh để chấm dứt các trường điện hướng vào lớp.
• Điểm tham chiếu đơn: Lý tưởng nhất, nó cung cấp một tiềm năng tham chiếu. Nói cách khác, nó có thể được sử dụng để cung cấp một điểm tham chiếu cho bất kỳ phép đo điện áp nào, bao gồm cả các phép "đo" điện áp được sử dụng bởi IC để đăng ký các mức logic. Tín hiệu 3.3 V bạn đo ở đầu phát của một kết nối không mất mát được đảm bảo hợp lý sẽ được nhìn nhận là 3.3 V ở đầu nhận.

Ngoài một số tính năng khác như cung cấp một cách đơn giản để phân phối nhiệt và điện năng khắp bảng mạch, các lớp mặt đất cung cấp một số chức năng điện cơ bản mà đôi khi không được thảo luận cho đến khi bạn tham gia một lớp học về điện từ học ở trình độ sau đại học. Dù sao, hai điểm cuối cùng quan trọng đối với các cặp vi sai không có mặt đất. Nếu bạn lập kế hoạch định tuyến đúng, bạn có thể không cần mặt đất cho các cặp vi sai.

Cặp Điện Áp Đối Xứng, Mặt Đất và Mức Tín Hiệu

Cách mà một cặp điện áp đối xứng phụ thuộc vào mặt đất phụ thuộc vào một số yếu tố và liên quan đến các yếu tố nhiễu loạn quy định trở kháng. Đầu tiên, hãy xem xét các yếu tố nhiễu loạn giữa các cặp điện áp đối xứng. Tất cả các cặp điện áp đối xứng đều có một lượng nhỏ dung kháng nhiễu loạn giữa chúng, kết hợp với cảm kháng nhiễu loạn của chúng và dung kháng nhiễu loạn bản địa đối với các mặt đất.

Những nhiễu loạn này tạo ra hai hiệu ứng:

• Dung kháng nhiễu loạn chung và cảm kháng nhiễu loạn chung cung cấp sự kết nối giữa hai đường trong cặp, giúp xác định trở kháng đối xứng của chúng.
• Dung kháng nhiễu loạn trở lại với các mặt phẳng tham chiếu cho phép dòng điện dịch chuyển lan truyền trong mặt đất.

Cùng nhau, các nhiễu loạn xác định trở kháng đối xứng của cặp, và trở kháng đơn lẻ (trở kháng chế độ lẻ) của một dấu vết cá nhân trong cặp.

Nếu có dòng điện trả về bên dưới các đường dẫn trong một cặp vi sai (giả sử chúng ta đang nói theo cách giống như chúng ta nói về các đường dẫn đơn), nó nằm rất gần bên dưới cặp và tiến gần đến không tại điểm giữa giữa cặp. Đối với các tín hiệu tốc độ cao, người ta có thể mong đợi sự phân bố của bất kỳ dòng điện trả về nào dưới đường dẫn sẽ xấp xỉ theo phân phối Gaussian. Điều này được thể hiện trong đồ thị trong hình dưới đây.

Ở đây, để cung cấp một “đường dẫn trả về,” chúng ta thực sự không cần một mặt đất. Hãy tưởng tượng nếu chúng ta từ từ tăng khoảng cách giữa mặt đất và các đường dẫn trong hình trên. Tất cả các đường sức điện trường phát ra từ đường dẫn dương sẽ kết thúc tại đường dẫn âm. Điều này giải thích định nghĩa của trở kháng vi sai: đó là trở kháng giữa hai đường dẫn do sự ghép nối lẫn nhau của chúng. Điều này cũng giúp giải thích tại sao mức tín hiệu trong một cặp vi sai được đọc là sự khác biệt giữa các giá trị trên mỗi đường dẫn.

Đây là lúc ai đó sẽ hỏi: "Làm sao dòng điện chảy từ đường dẫn dương sang đường dẫn âm? Nó phải xảy ra qua IC chứ!" Lạ thay, Lee Ritchey tuyên bố biết một cuốn sách giáo khoa hiển thị đồ họa cụ thể này trên bìa. Thay vì hỏi dòng điện chảy ở đâu, tôi đề xuất các kỹ sư nên thoát khỏi ý tưởng này rằng dòng điện "chảy" ở đâu đó như nước trong ống.

Khi một sóng được kích thích ở một đầu của đường dẫn, trường điện được kích thích bởi một số phân bố điện tích tự do trên dẫn. Trường điện từ một dẫn kích thích sự cực hóa trong dẫn đối diện, được nhìn nhận như là một dòng điện dịch chuyển. Khi sóng lan truyền xuống một cặp vi sai, sự mất cân bằng điện tích cũng di chuyển dọc theo hai cặp. Tốc độ mà sự mất cân bằng điện tích này di chuyển dọc theo đường dẫn thực sự là một dòng điện trở lại. Lưu ý rằng cũng có sự đóng góp từ sự cảm ứng lẫn nhau, và cùng một giải thích áp dụng.

Tại sao sử dụng Mặt Đất cho Cặp Vi Sai?

Một điểm mà mọi người thường nhắc đến với các đường truyền đơn nhưng lại quên mất với các đường truyền vi sai là mức độ cách ly do một mặt đất cung cấp. Nói một cách đơn giản, một mặt đất gần cặp vi sai sẽ làm méo dòng trường và kết thúc chúng tại bề mặt của mặt đất. Nếu bạn có việc định tuyến cặp vi sai trên hai lớp kề nhau, bạn có thể cách ly các cặp chỉ bằng cách đặt một mặt đất giữa các lớp.

Điều này dẫn đến một lý do khác để sử dụng mặt đất: giảm nhiễu chéo vi sai. Các dòng trường được hiển thị bên dưới minh họa tại sao các cặp vi sai có thể gây ra nhiễu chéo trên một đường truyền khác, bao gồm cả trong một cặp vi sai khác. Một bên của đường truyền. Nếu bạn đọc bài viết mà tôi đã liên kết ở trên, bạn sẽ thấy rằng khoảng cách lớn hơn giữa một cặp vi sai và mặt đất của nó sẽ tăng mức độ nhiễu chéo gây ra trên một đường truyền khác (dù là đơn hay vi sai).

Điều này là do các trường xung quanh mỗi dấu vết trong một cặp vi sai, như được hiển thị trong hình dưới đây. Tại đây, trường không bằng không ở các cạnh của một cặp, nghĩa là nó có thể gây ra nhiễu chung hoặc nhiễu vi sai trên một dấu vết khác. Ngoài sự cách ly giữa các lớp, việc sử dụng một mặt đất cũng cung cấp thêm sự cách ly giữa một cặp vi sai và bất kỳ dấu vết nào khác trên cùng một lớp. Điều này có thể cho phép bạn đặt các dấu vết gần nhau hơn.

Thiếu Mặt Đất và Vấn đề Chênh lệch Mặt Đất

Lưu ý rằng, nếu bạn dự định sử dụng cặp dây đối xứng mà không có mặt đất trong khi ngăn chặn các vấn đề EMI khác, bạn cần phải áp dụng việc khớp chiều dài sao cho các tín hiệu trên một cặp dây đối xứng đến được bộ thu trong giới hạn thời gian của chúng. Điều này là bởi vì, khi các tín hiệu không khớp nhau đến bộ thu, sự khác biệt của chúng được đo lường, nhưng bất kỳ sự không khớp nào cũng có thể giảm khả năng giảm chế độ chung của bộ thu. Về phần dòng điện trở lại trong bất kỳ tham chiếu gần đó, điều này kỹ thuật sẽ tạo ra một cơn bùng nổ dòng điện tức thời trong khu vực đất có khả năng ghép nối điện dung gần nhất. Nếu khu vực đất xa cặp dây (tức là, một mặt phẳng xa hoặc khung máy), thì bạn đã có một cơn bùng nổ điện từ ngắn có thể phát xạ, hiệu quả như là nguồn tiếng ồn chế độ chung của chính nó. Tuy nhiên, một cách thực tế, sự bức xạ này không phải là một mối lo ngại ngoại trừ có thể trong các PCB chứa đựng dày đặc, trong trường hợp đó bạn nên áp dụng thêm không gian giữa các thành phần dễ bị nhiễu chéo.

Lợi ích lớn nhất khi sử dụng cặp dây vi sai là khả năng miễn dịch với sự chênh lệch mặt đất. Cặp dây vi sai nói chung không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch mặt đất và không yêu cầu mặt đất ở mỗi bên của liên kết vi sai phải được nối lại, ví dụ, bằng một cáp có lớp bảo vệ. Sự chênh lệch mặt đất chỉ là vấn đề trong tín hiệu đơn cuối vì sự chênh lệch mặt đất sẽ thay đổi mức tín hiệu trên bảng mạch. Điều này có thể được minh họa một cách sơ đồ trên một PCB với các mặt đất riêng biệt, hoặc đối với một cáp dài được đặt giữa hai hệ thống kín như được hiển thị bên dưới.

Vì một cặp dây vi sai dựa vào việc đo sự khác biệt giữa các tín hiệu ở mỗi bên của cặp, nên sự chênh lệch mặt đất không quan trọng trong liên kết này. Mặc dù điều này có thể không phải là vấn đề lớn trên một PCB với một mặt đất đồng nhất, nhưng đây là một vấn đề thực sự trên các liên kết điện dài được sử dụng để kết nối các thiết bị ở xa.

Tùy thuộc vào cách thực hiện kết thúc và sự chênh lệch trở kháng giữa mỗi bên của cặp, phương pháp thực sự cho bù trừ độ lệch mặt đất được thực hiện bằng một nguồn dòng tại một đầu của liên kết (điều này được tích hợp vào bộ thu). Với việc thực hiện kết thúc trên chíp trong các thành phần bộ thu và bộ phát vi sai hiện đại, bạn thực sự không cần phải lo lắng về điều này. Nhiệm vụ của bạn như một nhà thiết kế là đảm bảo rằng bạn đạt được các mục tiêu trở kháng yêu cầu và giảm thiểu độ lệch dưới giới hạn cho phép cho giao diện cụ thể của bạn.

Điều gì Xác định Trở kháng Nếu Không Có Mặt Đất?

Đối với một dấu vết đơn, trở kháng đặc trưng phụ thuộc vào tỷ lệ chiều rộng dấu vết so với độ dày điện môi. Nếu bạn có một microstrip, và tăng khoảng cách đến mặt đất lên một giá trị rất lớn, trở kháng đặc trưng của dấu vết sẽ tăng lên theo hàm logarit đến các giá trị rất lớn. Vậy, làm thế nào trở kháng của một cặp vi sai giữ ở một giá trị cố định nếu không có mặt đất và trở kháng đặc trưng của mỗi dấu vết trở nên rất lớn?

• Câu trả lời nằm ở khoảng cách giữa các đường dẫn trong cặp. Mục tiêu trở kháng vi sai, cũng như trở kháng đơn lẻ của mỗi đường dẫn, được duy trì bằng cách giữ khoảng cách giữa hai đường dẫn không đổi. Điều này thiết lập trở kháng đơn lẻ VÀ trở kháng vi sai đến giá trị mục tiêu, ngay cả khi không có mặt bằng nối đất!

Đối với một khoảng cách nhất định, trở kháng đơn lẻ của mỗi đường dẫn sẽ được thiết lập thành trở kháng chế độ lẻ do sự ghép nối giữa hai đường dẫn. Trở kháng đường dẫn ảnh hưởng đến sự truyền tải tín hiệu trên mỗi đường dẫn trong cặp là trở kháng chế độ lẻ, không phải trở kháng đặc trưng. Điều này nên giải thích vai trò của các cáp mang tín hiệu vi sai; sự ghép nối giữa chúng giữ trở kháng dây cá nhân được thiết lập theo giá trị chế độ lẻ cần thiết, không phải sự hiện diện của bất kỳ mặt bằng nối đất nào gần đó (điều này hoàn toàn tùy ý trong các cáp không có vỏ bọc với không có dây nối đất).

Nếu bạn đi dây qua một khoảng trống của mặt đất và sau đó trở lại trên một mặt đất phẳng, điều gì sẽ xảy ra? Tùy thuộc vào kích thước của khoảng trống và khoảng cách đến mặt phẳng, bạn có thể thấy sự không liên tục về trở kháng. Bạn cần đảm bảo rằng trở kháng của các đường dẫn được khớp với nhau trong từng phần, và rằng trở kháng đầu vào không thể nhìn thấy để ngăn chặn sự phản xạ. Hãy chắc chắn tính toán điều này trong máy tính trở kháng và xếp chồng của bạn.

Các chương trình thiết kế PCB hiện đại như Altium Designer® cung cấp cho bạn một bộ công cụ định tuyến đầy đủ cho các thiết kế kiểm soát trở kháng tốc độ cao, làm cho việc định tuyến các cặp vi sai mà không cần đất trở nên dễ dàng trong bố cục PCB của bạn. Altium Designer trên Altium 365® mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử cho đến nay chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ xa và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.