差動Differential 的世界

以前念電子學做擴大機的時候，總會用差動放大電路來做前級，不但可以得到比較好的效能，抗雜訊能力也比較好。但是現在我們週遭已經很多產品或介面，利用差動的概念達到高速的傳輸的目的，舉凡USB,PCI-E,SATA,.....



差動應用在傳輸介面相當好用。早期的電腦，由於當時技術不好所以像RS-232 為了達到抗雜訊的能力，就把TTL 準位的的信號，轉成+-12V 的信號。這也就是為神麼PC 當初在訂定規格時還需要有+- 12V 的原因。（後來有些公司覺得負壓很麻煩所以就SWITCHing 的方式轉出＋- 10V 的介面IC）。為神麼將TTL 準位的信號轉換成+-12V就可以抗雜訊呢？ 舉例來說：如果在TTL 準位中受到2V 雜訊的干擾，讓信號到達臨界電壓，是無法判斷出高電位或低電位的，但轉換到+-12V 之後，就可以輕易分辨出高電位或低電位，但我們並不能一昧拉高電壓，因為半導體也有其最大電壓的設計，所以就有差動傳輸的概念出來。



差動就是利用CMRR共模的效果，透過兩條線（一對雙絞線）來傳輸，並使其絞線在一起，當雜訊來的時候他會同時在兩條線上，且會被互相抵銷，藉以達到抗雜訊的能力。注意：差動傳輸只能解決雜訊的問題，但是線長所造成的衰減是無法徹底解決，這部分必須靠驅動力與終端電阻才可以改善。



1. 最早的差動介面 RS-485, RS422

RS485 與RS422 是RS-232 的延伸應用，由於RS232 雖然可以有幾米的傳輸距離但若是要更遠距離的傳輸，因為線電阻造成的衰減，RS232並不適合遠距離傳輸。由於RS-485 可以將線長延伸到200M~500M 所以在工業界應用相當廣泛，單因為RS-485 只有一對絞線所以只能支援半雙工（就是同一時間只能做傳送或接收）。所以利用兩對信號的RS-422 也常被工業界所使用。http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn75176a.pdf

在實務應用中，RS485,與RS422 終端電阻很重要，這個端終端電阻不但可以讓穩定電流回路，也有降低雜訊的能力。由時候此電阻也必須看整個BUS 的負載狀況加以調整。



2. CAN-BUS

Can bus 最早被應用在車用控制上，後來也被廣泛應用在工業控制上。最早支援的Can bus 的有Philips (NXP) SJA1000http://www.nxp.com/pip/SJA1000_3.html，目前也有很多MCU 以內建CAN bus interface.



3. Data Highway

Data highway 是CAN BUS 的延伸，只是走不同的通訊協定，傳輸接面是一樣的，常被應用在工業控制的PLC 中。



4. Camera Link

Camera Link 被應用在高速Line CCD 中，主要用於工業檢測。http://www.compumodules.com/pdf/CameraLinkOfficial.pdf



5. LVDS

並應用於LCD controller 與LCD panel 之間的傳輸介面。http://www.national.com/mpf/DS/DS90LV031A.html LVDS 傳送IC 內建了一個7 倍頻的PLL,當CLOCK input 為High 的時候送4 個bits 出去，當Clock input 為Low 的時候送3 個bits ,合計7 個bits。由於PLL 之後接收端無法同步這個新的Clock , 所以在LVDS 信號傳輸中，必須把CLOCK 也輸出到接收介面。

如果3 對LVDS 信號，合計可以傳送21bits , 在6bits Panel ( 18bits total in RGB) 加上LCD panel 的Hsync,Vsync,Data enable 。所以當要傳送24bits 信號時，則需要4 對LVDS 線及一對CLock 線，合計5 對線。

LVDS 介面由於將頻率產生7倍頻率，所以在速度上最高只能到85MHz ，如果要傳送1920x180P@60Hz 的信號必須使用兩組LVDS 介面才可以傳送。



6. DVI, HDMI

DVI 目前應用於VGA 卡 Monitor 的介面，由於傳統VGA 卡與Monitor 介面是Ananlog RGB 信號，以目前數位化的角度來看，VGA 卡做DAC 然後LCD monitor 再做ADC 反而效果更差，所以從VGA卡直接將新號輸出到monitor , 但因24bits 線材與效果不好所以採用類似LVDS 信號的方法將Pixel clock 做被頻，然後用串列的方式來傳輸，理論上倍的頻率越高，所能傳輸的資料量就越大，頻寬需求也越高。在DVI 信號中總計三對資料線，與一對Clock 線，合計四對線。



HDMI傳輸介面是DVI 介面的延伸，都是使用4 對線，唯一的差異就是HDMI 將Audio 也放到這資料中。



7. Ethernet

Ethernet 可以說是最早將差動信號應用在資料通訊上。在Ethernet 中使用兩對線，Tx+,Tx-,RX+,RX- 組合成全雙工。