الإشارات التفاضلية

الإشارة التفاضلية هي طريقة لنقل المعلومات كهربائياً باستخدام إشارتين متكاملتين . تُرسل هذه التقنية نفس الإشارة الكهربائية كزوج من الإشارات التفاضلية ، كلٌّ منها في موصل خاص بها . يمكن أن يكون زوج الموصلات أسلاكاً في كابل مزدوج ملتوي أو كابل شريطي، أو مسارات على لوحة دوائر مطبوعة .

كهربائياً، يحمل الموصلان إشارتين جهد متساويتين في المقدار ، لكنهما متعاكستان في القطبية . تستجيب دائرة الاستقبال للفرق بين الإشارتين، مما ينتج عنه إشارة ذات مقدار أكبر بمرتين.

قد يُشار إلى الإشارات المتناظرة في الإشارات التفاضلية بأنها متوازنة ، ولكن هذا المصطلح يُستخدم بشكل أدق للإشارة إلى الدوائر والخطوط المتوازنة التي ترفض التداخل ذي النمط المشترك عند تغذيتها بجهاز استقبال تفاضلي. لا تُؤدي الإشارات التفاضلية إلى جعل الخط متوازنًا، كما أن رفض الضوضاء في الدوائر المتوازنة لا يتطلب إشارات تفاضلية.

يجب مقارنة الإشارات التفاضلية بالإشارات أحادية الطرف التي تقوم بتشغيل موصل واحد فقط بالإشارة، بينما يتم توصيل الموصل الآخر بجهد مرجعي ثابت.

خلافًا للاعتقاد الشائع، لا يؤثر الإرسال التفاضلي على إلغاء الضوضاء. فالخطوط المتوازنة المزودة بمستقبلات تفاضلية ترفض الضوضاء بغض النظر عما إذا كانت الإشارة تفاضلية أم أحادية الطرف، ^{[ 1 ] [ 2 ]} ولكن نظرًا لأن رفض الضوضاء في الخطوط المتوازنة يتطلب مستقبلًا تفاضليًا على أي حال، فغالبًا ما يُستخدم الإرسال التفاضلي في هذه الخطوط. ومن فوائد الإرسال التفاضلي ما يلي:

• مضاعفة جهد الإشارة بين الزوج التفاضلي (مقارنة بإشارة أحادية الطرف من نفس المستوى الاسمي )، مما يعطي هامشًا إضافيًا يبلغ حوالي 6  ديسيبل (20log2 ≈ 6.02) . ^{[ 1 ]}
• يتم رفض الضوضاء ذات الوضع المشترك بين مكبري الصوت (على سبيل المثال من رفض مصدر الطاقة غير الكامل ) بسهولة بواسطة جهاز استقبال تفاضلي.
• أصبح من الممكن تمديد الكابلات لفترات أطول بفضل زيادة مقاومة الضوضاء ووجود  مساحة رأسية إضافية تبلغ 6 ديسيبل.
• عند الترددات العالية، قد تتغير مقاومة خرج مضخم الخرج، مما يؤدي إلى عدم توازن طفيف. عند تشغيله في الوضع التفاضلي بواسطة مضخمين متطابقين، سيكون هذا التغير في المقاومة متساوياً لكلا الخطين، وبالتالي يتم إلغاؤه. ^{[ 1 ]}

تعمل الإشارات التفاضلية لكل من الإشارات التناظرية، كما هو الحال في الصوت المتوازن ، والإشارات الرقمية، كما هو الحال في RS-422 و RS-485 و Ethernet عبر الزوج الملتوي و PCI Express و DisplayPort و HDMI و USB .

مناسب للاستخدام مع الإلكترونيات ذات الجهد المنخفض

تسعى صناعة الإلكترونيات ، وخاصة في الأجهزة المحمولة، باستمرار إلى خفض جهد التغذية لتوفير الطاقة. إلا أن انخفاض جهد التغذية يقلل من مقاومة التشويش. وتساعد الإشارات التفاضلية في الحد من هذه المشاكل، لأنها توفر، عند جهد تغذية محدد، ضعف مقاومة التشويش التي يوفرها نظام أحادي الطرف.

لفهم السبب، ضع في اعتبارك نظامًا رقميًا أحادي الطرف مع جهد تغذية${\displaystyle V_{S}}$مستوى المنطق العالي هو${\displaystyle V_{S}\,}$ومستوى المنطق المنخفض هو 0 فولت. وبالتالي، فإن الفرق بين المستويين هو${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$والآن، لنفترض نظامًا تفاضليًا له نفس جهد التغذية. فرق الجهد في الحالة العالية، حيث يكون أحد الأسلاك عند${\displaystyle V_{S}\,}$والآخر عند 0 فولت، هو${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$فرق الجهد في الحالة المنخفضة، حيث يتم تبادل الجهود على الأسلاك، هو${\displaystyle 0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}}$وبالتالي، فإن الفرق بين مستويات المنطق العالية والمنخفضة هو${\displaystyle V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,}$هذا ضعف الفرق في النظام أحادي الطرف. إذا لم يكن تشويش الجهد على أحد السلكين مرتبطًا بالتشويش على السلك الآخر، فإن النظام التفاضلي يحتاج إلى ضعف كمية التشويش لإحداث خطأ مقارنةً بالنظام أحادي الطرف. بعبارة أخرى، تُضاعف الإشارة التفاضلية مقاومة التشويش.

في نظام الإشارة أحادي الطرف، يُولّد جهاز الإرسال جهدًا واحدًا يقارنه جهاز الاستقبال بجهد مرجعي ثابت، وكلاهما مُرتبط بوصلة أرضية مشتركة بين الطرفين. في كثير من الحالات، لا تُعدّ التصاميم أحادية الطرف عملية. ومن الصعوبات الأخرى التداخل الكهرومغناطيسي الذي قد ينتج عن نظام إشارة أحادي الطرف يحاول العمل بسرعة عالية.

عند نقل الإشارات بشكل تفاضلي بين جهازين، من الشائع استخدام واجهة متوازنة. الواجهة عبارة عن نظام فرعي يتكون من ثلاثة أجزاء: مُرسِل، وخط، ومُستقبِل. تُكمل هذه المكونات الثلاثة دائرة كاملة لانتقال الإشارة، وتُحدد معاوقة هذه الدائرة ما إذا كانت الواجهة ككل متوازنة أم لا: ^{[ 3 ]} "الدائرة المتوازنة هي دائرة ثنائية الموصلات، حيث يكون لكل من الموصلين وجميع الدوائر المتصلة بهما نفس المعاوقة بالنسبة للأرض ولجميع الموصلات الأخرى." ^{[ 4 ]} طُوِّرت الواجهات المتوازنة كآلية حماية ضد التشويش. نظريًا، يمكنها رفض أي تداخل طالما أنه من النوع المشترك (أي أن الفولتية تظهر بنفس المقدار والقطبية في كلا الموصلين). ^{[ 3 ]}

يوجد التباس كبير حول مفهوم الواجهة المتوازنة وعلاقتها بالإشارات التفاضلية. في الواقع، هما مفهومان مستقلان تمامًا: فالواجهة المتوازنة تُعنى برفض الضوضاء والتداخل، بينما تُعنى الإشارات التفاضلية فقط بنطاق الإشارة المتاح. ولا يُحدد توازن معاوقة الدائرة الإشارات التي يمكنها نقلها، والعكس صحيح. ^{[ 3 ]}

تعمل هذه التقنية على تقليل التشويش الإلكتروني والتداخل الكهرومغناطيسي ، سواء انبعاث الضوضاء أو قبولها، ويمكنها تحقيق مقاومة مميزة ثابتة أو معروفة ، مما يسمح بتقنيات مطابقة المعاوقة المهمة في خط نقل الإشارة عالي السرعة أو خط متوازن عالي الجودة ومسار إشارة صوتية متوازنة الدائرة.

تشمل الأزواج التفاضلية ما يلي:

• كابلات الأزواج الملتوية ، المحمية وغير المحمية
• تقنيات توجيه أزواج الإشارات التفاضلية باستخدام خطوط الميكروستريب والستريبلاين على لوحات الدوائر المطبوعة

تحمل الأزواج التفاضلية عمومًا إشارات تفاضلية أو شبه تفاضلية، مثل واجهات التسلسل الرقمي عالية السرعة بما في ذلك LVDS التفاضلي ECL و PECL و LVPECL و Hypertransport و Ethernet عبر زوج ملتوي وواجهة رقمية تسلسلية و RS-422 و RS-485 و CANbus و USB و DSL و Serial ATA و TMDS و FireWire و HDMI وما إلى ذلك، أو إشارات تناظرية عالية الجودة و/أو عالية التردد (مثل إشارات الفيديو وإشارات الصوت المتوازنة وما إلى ذلك).

تستخدم الإشارات التفاضلية في كثير من الأحيان أسلاكًا أو موصلات متطابقة الطول والتي تستخدم في وصلات التسلسل عالية السرعة . ^{[ 5 ]}

يُحدد نوع خط النقل الذي يربط جهازين (رقائق، وحدات) غالبًا نوع الإشارة. تُستخدم الإشارة أحادية الطرف عادةً مع الكابلات المحورية ، حيث يحجب أحد الموصلين الآخر تمامًا عن البيئة المحيطة. تُدمج جميع طبقات الحماية (أو الدروع) في قطعة واحدة لتشكيل أرضية مشتركة. أما الإشارة التفاضلية، فتُستخدم عادةً مع زوج متوازن من الموصلات. بالنسبة للكابلات القصيرة والترددات المنخفضة، تكون الطريقتان متكافئتين، لذا يمكن استخدام دوائر أحادية الطرف رخيصة الثمن ذات أرضية مشتركة مع كابلات رخيصة. مع ازدياد سرعات الإشارة، تبدأ الأسلاك بالعمل كخطوط نقل.

تُستخدم الإشارات التفاضلية غالبًا في الحواسيب للحد من التداخل الكهرومغناطيسي ، نظرًا لعدم إمكانية الحماية الكاملة باستخدام الشرائح الدقيقة والرقائق الإلكترونية في الحواسيب، وذلك بسبب القيود الهندسية وعدم فعالية الحماية عند التيار المستمر. إذا اشترك خط إمداد الطاقة بالتيار المستمر وخط إشارة الجهد المنخفض في نفس الأرضي، فقد يُحدث تيار الطاقة العائد عبر الأرضي جهدًا كبيرًا فيه. ويُخفف استخدام أرضي منخفض المقاومة من هذه المشكلة إلى حد ما.

تستخدم تقنية الإشارة التفاضلية عالية الجهد ( HVD ) إشارات عالية الجهد . في إلكترونيات الحاسوب ، يعني الجهد العالي عادةً 5 فولت أو أكثر.

تضمنت إصدارات SCSI -1 تقنية تفاضلية عالية الجهد، حيث كان الحد الأقصى لطول الكابل فيها أكبر بكثير من الإصدار أحادي الطرف. فعلى سبيل المثال، تسمح أجهزة SCSI بطول كابل إجمالي أقصى يبلغ 25 مترًا باستخدام تقنية HVD، بينما يسمح SCSI أحادي الطرف بطول كابل أقصى يتراوح بين 1.5 و6 أمتار، وذلك حسب سرعة ناقل البيانات. أما إصدارات SCSI بتقنية LVD فتسمح  بطول كابل أقل من 25 مترًا، ليس بسبب انخفاض الجهد، بل لأن هذه المعايير تسمح بسرعات أعلى بكثير من سرعات SCSI الأقدم بتقنية HVD.

يصف مصطلح الإشارات التفاضلية عالية الجهد مجموعة متنوعة من الأنظمة. أما الإشارات التفاضلية منخفضة الجهد (LVDS)، فهي نظام محدد وفقًا لمعيار TIA/EIA.

تُتيح بعض الدوائر المتكاملة التي تتعامل مع الإشارات التفاضلية خيارًا ماديًا (عبر خيارات التوصيل ، أو تحت تحكم البرامج الثابتة، أو حتى تلقائيًا) لتبديل قطبية الإشارتين التفاضليتين، ويُسمى هذا الخيار تبديل الزوج التفاضلي ، أو عكس القطبية ، أو انعكاس الزوج التفاضلي ، أو انعكاس القطبية ، أو انعكاس المسار . يُمكن الاستفادة من هذا الخيار لتبسيط أو تحسين توجيه أزواج المسارات التفاضلية عالية السرعة على لوحات الدوائر المطبوعة في تطوير الأجهزة، وللمساعدة في معالجة أخطاء التوصيل الشائعة من خلال تبديل الأسلاك، أو لتصحيح أخطاء التصميم الشائعة بسهولة تحت تحكم البرامج الثابتة. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}تدعم العديد من أجهزة الإرسال والاستقبال الفيزيائية لشبكة الإيثرنت هذه الميزة ككشف وتصحيح تلقائي للقطبية (لا ينبغي الخلط بينها وبين ميزة التبديل التلقائي المماثلة ). ^{[ 14 ]} كما تدعم تقنيتا PCIe و USB SuperSpeed ​​عكس قطبية المسارات.

هناك طريقة أخرى للتعامل مع أخطاء القطبية وهي استخدام رموز الخطوط غير الحساسة للقطبية .

• اللوحات الخلفية
• إشارة الوضع المشترك
• إشارات حلقة التيار
• منطق الوضع الحالي (CML)
• ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية المتزامنة DDR
• مضخم تفاضلي
• TTL التفاضلي
• منفذ العرض
• هامباكر
• سلامة الإشارة
• الإشارات أحادية الطرف
• الإشارات التفاضلية المُصغّرة للانتقال (TMDS)