“赤熱”電視劇中提到的”我們要做差分的單端電路”是什麼東東？

 

    最近有一部在講半導體的電視劇”赤熱”有一段影片引起很多相關行業工程師的討論, “我們要做差分的單端電路”

    這個對某些朋友可能對於”差分Differential”與”單端Single-Ended”有點熟悉但這一段話放在一起又有點陌生。

<單端Single-ended input與差分Differential inputs>

單端與差分輸入是要放在一起講，我們講一般大家熟悉的mipi rffe, I2C, SPI, UART/RS232這種都是所謂的單端輸入，單端的概念是只需要兩條線訊號(Signal)與地線(GND)兩條線就夠了，但一般大家會忘了GND不是一條線，所以都會認為只有一條訊號線以UART來說就是TX and RX兩條獨立的”單端”傳輸。

<單端抗干擾能力 Single-ended noise immunity>

如果這時候有干擾訊號近來，接收端的訊號就會同時收到干擾訊號與主訊號，造成訊號失真或接析不了的情況，這個干擾可能是來自隔壁工作中的電路或是任何你想不到的雜訊訊號。

<差分輸入Differential Input>

    差分輸入就是在單端(Single-ended)的基礎上多加了一路”反相訊號TX-)，如下我們用一個比較容易理解的架構表示，兩路訊號最後透過Balun (or Transformer)合併在一起，Balun的功用就是把兩端的訊號相減，如果訊號本身相等相減起來就為零，一般來說會用運算放大器的差分輸入[1][2][3]不會再特別用Balun, 這裡只是方便大家理解。

<差分輸入抗干擾能力Differential inputs noise immunity>

    差分訊號跟單端輸入本質上就是差了一條訊號，既然一條線能夠傳完成的事情為什麼要特別搞兩條線呢？當然設計這個的工程師又不是傻子，肯定有他的好處，我們在把單端的干擾訊號加進來，這裡假設干擾訊號是一起落在TX+與TX-上面，因為差分輸入的試看兩個訊號的差值，所以一樣的訊號差值為零，因為很重要在講一次：

ΔVin = ( noise + TX+ ) – ( noise + TX- )

ΔVin = (TX+) – (TX-)

所以現在高速的傳輸介面幾乎都是差分訊號，例如USB3.0 [4]或AI題材的NV-Link都是採用差分方案來抵抗”共模雜訊”, 共模的意思就是差分訊號對上的雜訊(Signal Pair)上面是相等的情況。

<差分的單端電路Differential Singl-ended>

    回到這個文章的主軸，所以大家有單端電路與差分電路的概念，那什麼叫做”差分的單端電路”，從字面上解釋這個電路是單端電路但又有差分的特性？很饒舌對不對，我們一下傳統運算放大器除了單端輸入, 差分輸入還有一個在兩者之間的偽差分(Pseudo-Differential Input)，可以參考[2]或[5]的文章，說實在都說是”偽”肯定跟真的有區別，基本上我覺得就是差分與單端電路要連接的一種折衷方案，基本特性還是維持單端電路。

 

　　或許編劇是想成以下的狀況，單端的器件加上差分的輸入轉換器(Balun or Transformer)也算是符合”差分的單端電路”　XD

　　好了今天就藉著這部”赤熱”間單介紹一下什麼是單端什麼是差分電路，還有為什麼要特別繞一圈搞差分電路？其實類似的電路還射頻電路功率合併除了同相與差分外還有相差90度的平衡輸入，有興趣的可以參考這篇文章[6] 手機功率放大器功率合併的方法Smart Phone Power Amplifier Power Combination Method and  Architecture與下圖與[7] mini circuit blog, RF Transformer Fundamental 這文章，現在射頻功率放大器經常使用差分架構[7]，從某些角度也可以說成:

1.      差分的單端電路

2.      單端的差分電路

<參考文獻>

[1] SAR ADC Input Types, Analog Device Technical Articles

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/sar-adc-input-types.html

[2] Noise Suppression Basic Course Section 1

Chapter 5 Conductor conduction and common mode

https://www.murata.com/en-global/products/emc/emifil/library/knowhow/basic/chapter05-p1

[3] 差分，單端是什麼鬼？？？, EET-China

https://www.eet-china.com/mp/a195026.html

[4] Rising to the USB 3.0 challenge: smart design achieves high-speed signal integrity

https://embeddedcomputing.com/technology/processing/rising-to-the-usb-3-0-challenge-smart-design-achieves-high-speed-signal-integrity

[5] ADS1299: Unipolar/Bipolar Supply for Differential/Single-Ended Inputs

https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/777781/ads1299-unipolar-bipolar-supply-for-differential-single-ended-inputs

[6] 手機功率放大器功率合併的方法Smart Phone Power Amplifier Power Combination Method and  Architecture - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/639056460

[7] RF Transformer Fundamentals - Mini-Circuits Blog

https://blog.minicircuits.com/application-note-on-transformers-an-20-002/

 

射頻器件的功率耐受度與調製波型的關係？要用CW, Pulse Mode還是Modulation Signal測試驗證呢？

     最近跟朋友討論了一個問題，射頻器件規格書都會寫”最大承受的功率Max Input Power”是多少dBm? 以射頻開關開關(RF Switch)，每一家寫的都不太一樣”點解”? 其實有時候這還挺令人困惑的，在網上找國際射頻大廠Qorvo為例，[1] QM12114 SP4T RFFE GSM High Power Switch寫了 39dBm, Duty Cycle 25% 但卻沒有標注是什麼測試波型與Frame Length時間多長？

    雖然在手機射頻這一行待久的老屁股可能可以猜到應該是指GSM系統下2 Slots的時間為2/8乘以Frame Length 4.62ms，但因為GSM這系統也差不多要走入歷史，對於新朋友可能會覺得不夠嚴謹。

另外一個產品寫了[2] QPC3025 High Power SPDT寫的是”Duty Cycle 10%, 5ms period”，沒有寫什麼調製波型但標注了時間週期Period為5ms，也就是測試時間為0.1*5ms = 500us持續時間。

再看一個[3] Qorvo RFSW1012 Broadband SP2T 寫了兩種”CW”與”LTE, 9dB PAR, 1%”，這個就算寫的比較清楚一點(吧?)，但一樣都是射頻開關為什麼這三個產品”最大輸入功率(Maximum RF Input Power)”定義的測試條件都不太一樣呢？

訊號大小與持續時間

    規格書中AMR Absolute Maximum Ratings所標注的指標，無論是電壓Voltage, 電流Current或射頻訊號(RF Power)都在講差不多的事情，射頻功率(RF Power) P也是V電壓與I電流的的乘積P=I*V，所已知道一個就知道另外一個，以[4] JEDEC JEP174 的定義AMR如下圖，其實這個圖好像講了但又好像沒講，到底餘量要留多少呢？

    以一般HBT制程功率放大器為例，最大電壓Maximum Absolute Voltage一般在6V，但要直接觀察到電路直接掛掉電壓可能要加到2倍(～12V)才會直接掛掉，但退到10V可能是概率掛(Probability%)，這個概率跟持續時間有關，時間就項次數一樣，測試時間越久掛的機率就越大，這個概念跟測試加速因數(Acceleration Factor)其實是一樣，加速因數在評估器件能用多久是很重要(Life Time)，這個有機會再跟大家介紹。

    無論是電壓還是射頻功率，實際測試上會得到類似下圖曲線，假設其他的條件固定失效概率與時間會成一個指數關係(這個指數關係就是加速因數)，例如測試一個開關功率一上到39dBm馬上掛，但功率退一點37dBm可能可以撐30分鐘，再退一點36dBm可能測到女朋友都分手了器件還沒掛。

平均功率與峰值功率

    現代調製訊號裡面功率是有大有小，下面用一個簡化的調製訊號來說明，實際上LTE or 5G 這種OFDM調製會比這個複雜些，峰值功率大小與持續時間跟頻寬與QAM數有關，但其實原理都大差不差，不影響理解。

    如下有5個symbol的訊號，相位相同但相對大小不同，可以把這5各Symbol一樣劃在IQ domain上，可以想像成為256QAM的其中一段訊號，假設這5個Symbol的平均功率輸出為24dBm，但最大的Symbol為30dBm，一般會描述此調製訊號的峰值功率為30dBm或平均與峰值比PARR為6dB，那如果要評估一個射頻開關(RF SWITCH)能不能適用這個調製波型應該如何驗證呢？

 

連續波CW與脈衝模式Pulse Mode

    以上面的案例最簡單的想法是用連續波CW來驗證，CW一般會理解為未調製正弦波，以下有兩個射頻訊號，兩個訊號的載波頻率相同，上面的訊號為持續一個Symbol的時間其它時間關閉，可以描述為:

Duty Cycle = 1/5 20%, Period = 5 symbol time

下面就是連續波也就是Duty Cycle 100% ，實際開關看到的電壓相同，但這兩個結果實際上會有差距。

    以[5] pSemi 射頻開關PE42525的規格書舉例說明，Maximum Input Power標注了兩種調製波型CW與Pulse Mode，Pulse Mode有標注明確的時間為Duty Cycle 5%, Period 4620us, 以上面的舉的例子你可以想成他一個Symbol開了231us，一個Slot有4620us這麼長。

    pSemi這顆器件來CW會比Pulse Mode差3dB，注意這裡只是要強調CW一般都會比Pulse Mode來的惡化，但具體相差多少個dB這個每個器件是不一定的，取決實際掛掉的原因是因為廢熱造成金屬直接溶毀還是因為時間太久某個器件電壓又在臨界崩潰(Breakdown)。

   但評估上要用CW還是Pulse Mode訊號呢？如果用了CW可能會低估器件能力，要去選用一個功率比實際應用高上不少的器件，這個通常就是晶片面積增加或要選用更好的材料，最後導致成本上升….但用Pulse Mode如果掛了，造成項目延遲那年底不就汽車變摩托。

 

GMSK與Pulse Mode

    這裡補充一下銳石創芯RadRock有些規格書會用GMSK來測試驗證，[6] GMSK的調製訊號是FSK的一種，在傳輸1與0的時候分別是代表兩種頻率，所以如果你把訊號放大來看會類似以下的波型，因為這個偏移實際上與載波相比是非常小的比例，下圖是為了方便解說弄誇張一點，實際訊號資料10110…會用PN碼或PR碼Pseudo Random Code，但對器件來說看到的RF峰值功率其實沒有差別，Pulse Mode 就有點類似全部都是1或全部都是0的GMSK訊號。

定量測試與定性測試

    那回到一開始的問題，要用什麼訊號來評估才正確呢？常見的方法有以下三種，第一種與第二種比較類似定量評估，器件是個通用器件，實際上不確定會應用在哪一種調製波型，所以實際上要用在LTE訊號，知道平均功率與峰值功率並且知道出現的時間週期，就可以拿1與2的資料來初步評估。

1.      CW

2.      Pulse Mode, Duty Cycle and Period?

3.      Modulation Signal (ex LTE signal, 5GNR Signal)

    但如果一開始設計就是要給5G使用，那更直接的方式就是直接使用5G的調製波型來測試驗證，得到的答案會是更直接，但這個方法再實際量測驗證上是比較麻煩的，尤其是大功率開關器件，實驗室要找到線性度這麼高的功率放大器成本會太高，所以大部分還是以定量的測試驗證為主，如果有技術問題可以也歡迎洽詢銳石銷售技術服務團隊。

 

參考資料

[1] Qorvo, QM12114 SP4T RFFE GSM HIGH POWER SWITCH, DATASHEET

https://www.qorvo.com/products/p/QM12114

[2] Qorvo, QPC3025 0.03 - 4.2 GHz High Power, Reflective SPDT Switch

https://www.qorvo.com/products/p/QPC3025

[3] Qorvo, RFSW1012, 5 - 6000 MHz Broadband SPDT Switch

https://www.qorvo.com/products/p/RFSW1012

[4] JEDEC, JEP174, UNDERSTANDING ELECTRICAL OVERSTRESS – EOS

[5] pSemi, PE42525, UltraCMOS® SPDT RF Switch, 9 kHz–60 GHz

[6] GMSK, What is GMSK Modulation - Gaussian Minimum Shift Keying

https://www.electronics-notes.com/articles/radio/modulation/what-is-gmsk-gaussian-minimum-shift-keying.php

[7] RADROCK, sales@radrocktech.com

https://www.radrocktech.com/