การออกแบบด้วย Differential Pairs

การออกแบบด้วย Differential Pairs

การใช้สัญญาณแตกต่าง (Differential Signaling) มักเป็นที่นิยมสำหรับการเชื่อมต่อ เพราะความเร็วในการทำงานสูงขึ้น และโดยธรรมชาติของ FPGA ที่เหมาะกับการออกแบบความเร็วสูง และต้องการสนับสนุนอุปกรณ์ FPGA ที่มีการใช้ LVDS (Low Voltage Differential Signal) ซึ่งมีตั้งแต่อุปกรณ์ราคาถูกไปจนตัวสูงๆที่มีจำนวนขามากกว่า 1500 ขาขึ้นไป

ภายใน Altium Designer 6 สนับสนุน differential signaling จากในวงจร ไปจนถึงใน PCB   นักออกแบบสามารถสลับตำแหน่งขาผ่านทางการกำหนด net ชนิด dynamic และไม่ใช่สลับตำแหน่งขาเฉพาะขาที่ไม่ได้เดินเส้นเท่านั้น นักออกแบบสามารถสลับ net บนเส้นที่เดินไปแล้วบางส่วนได้ด้วย แนวคิดที่น่าตื่นเต้นเช่นนี้ ได้รวมความสามารถในการเปลี่ยนรูปแบบของ FPGA เข้ามาร่วมกับ PCB เต็มที่ทำให้การเดินลายเส้นทองแดงเพื่อเชื่อมต่อเป็นไปอย่างง่าย

เบื้องหลัง

การส่งสัญญาณความแตกต่าง (Differential Signaling) คือการส่งสัญญาณเป็นคู่ที่มีขั้วต่างกัน เดินลายทองแดงใกล้ๆกันไปเป็นคู่ ระบบนี้พัฒนาขึ้นเพื่อลดผลกระทบจากกราวน์ที่อ้างอิงระหว่างลอจิกของต้นกำหนดและเป้าหมาย การส่งสัญญาณความแตกต่างสามารถป้องกันสัญญาณรบกวนชนิดร่วม (common mode) ซึ่งเป็นแหล่งรบกวนที่มากในระบบดิจิตอลได้เป็นอย่างดี ข้อดีอีกประการของสัญญาณความแตกต่างคือสามารถลดผล EMI (electromagnetic inteference) ซึ่งเกิดจากคู่สัญญาณได้เป็นอย่างดี

ตามกฏของ Lee Ritchey ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบความเร็วสูง การเดินเส้นไม่จำเป็นต้องควบคุม differential impedance แต่สิ่งที่ต้องการคือ

  • กำหนดให้ impedance ของเส้นสัญญาณเป็นครึ่งหนึ่งของ impedance ของเคเบิลที่ต่อเข้ามา
  • ต้อง terminate ให้เหมาะสมที่ปลายเส้นสัญญาณทั้งสอง ถูกต้องตาม characteristic impedance
  • เส้นสัญญาณทั้งสองต้องมีความยาวใกล้เคียงกัน และมีความแตกต่างไม่เกินที่กำหนดในตระกูลของไอซีลอจิกนั้นๆ หากมีความแตกต่างค่าที่เป็นไปได้ทั่วๆไปคือ 500mils
  • ใช้ประโยชน์จากการเดินเส้นทั้งคู่ไปด้วยกัน เพื่อให้ความยาวเส้นเท่าเทียมกัน และหากจำเป็นสามารถเดินแยกอ้อมสิ่งกีดขวางได้
  • การเปลี่ยนเลเยอร์สามารถทำได้ ตราบใดที่ impedance ยังคงคงที่

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมสามารถเข้าไปดูได้ที่ http://www.speedingedge.com/RelatedAritcles.htm

การกำหนด Differential pair ใน sch

การกำหนดคู่สัญญาณใน Sch ทำได้โดยใช้คำสั่ง Place>>Directive เลือก Differential Pair และการตั้งชื่อ net จำเป็นต้องลงท้ายด้วย _N และ _P คู่สัญญาณจะถูกส่งผ่านไปยัง PCB ระหว่างกระบวนการ Synchronization

การกำหนด Differential pair บน PCB

สำหรับในบางเหตุการณ์พิเศษที่ไม่สามารถกำหนดคู่สัญญาณจาก SCH นักออกแบบสามารถกำหนดใน PCB ได้เช่นกัน การกำหนดหากทำในกราฟฟิกใช้คำสั่ง Place>>Differential Pair หรือคลิกบน PCB panel และเลือก Create From Nets เข้าไปสู่โหมด Differential Pair Editor

การมองและการจัดการคู่สัญญาณ

การมองและการจัดการคู่สัญญาณจะผ่านทาง PCB panel เลือกไปที่เบราส์ Differential Pairs จากนั้นในพาแนลจะแสดงเฉพาะคู่สัญญาณที่เกี่ยวข้อง เมื่อคลิกที่ D_V_TX1 จะทำให้ทั้ง V_TX1N และ V_TX1P พร้อมทั้ง (-) และ (+) จะแสดงไปด้วยกัน ทำให้ทราบว่าสัญญาณใดเป็นทางบวกและทางลบ

กฏการออกแบบที่ถูกใช้

มีกฏ 3 ข้อที่เกี่ยวข้อง

  • Routing Width – กำหนดความหนาเส้นทองแดงสำหรับทั้ง net และทั้ง pair กำหนดขอบเขตการบังคับให้ครอบคลุมสมาชิกใน differential pair ตัวอย่างเช่น InDifferentialPair
  • Differential Pairs Routing— กำหนดระยะระหว่างเส้นในคู่ความแตกต่าง ระยะห่างที่ยอมได้  (Gap allow) ระยะทั้งหมดที่ไม่ขนาดกัน (Uncoupled length) กำหนดขอบเขตการบังคับให้ครอบคลุมวัตถุที่เป็นคู่สัญญาณ ตัวอย่างเช่น IsDifferntialPair
  • Match Net Length—กำหนดให้ระยะทั้งหมดแตกต่างกันได้เท่าใด กำหนดให้ขอบเขตบังคับวัตถุที่เป็นคู่สัญญาณ ตัวอย่างเช่น IsDifferentialPair

การกำหนดขอบเขตการบังคับในกฏการออกแบบ

เนื่องจากขอบเขตของกฏการออกแบบกำหนดวัตถุที่นักออกแบบต้องการบังคับ และเนื่องจาก differential pair เป็นวัตถุที่ต้องการบังคับ ดังนั้นการกำหนดขอบเขตสามารถทำได้ตามตัวอย่าง

  • InDifferentialPairClass(‘All Differential Pairs’) –เป้าหมายคือทุกๆ net ในคู่ที่อยู่ใน class ชื่อว่า “All Differential Pairs”
  • InDifferentialPair (‘D_V_TX1’)—เป้าหมาย net ในคู่ที่ชื่อ D_V_TX1
  • InAnyDifferentialPair—เป้าหมายวัตถุใดในคู่สัญญาณ
  • (IsDifferentialPair And (Name Like ‘D*’))—เป้าหมายครอบคลุมวัตถุที่มีชื่อขึ้นต้นด้วย ‘D’

ท่านสามารถใช้ Rule Wizard สำหรับสร้างกฏการออกแบบได้เช่นกัน โปรดสังเกตว่า Rule Wizard จะสร้างกฏสำหรับการเลือกก่อนหน้าที่จะเรียก Wizard

Theme by Danetsoft and Danang Probo Sayekti inspired by Maksimer