Leiterplattentechnisch - Missverständnisse im PCB Differential Signal Design

Differentialsignal- und PCB-Design mehrere häufige Missverständnisse im Differentialsignal

Differentialsignal (Differentialsignal) wird immer häufiger im Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign verwendet. Das kritischste Signal in der Schaltung ist oft mit einer differentiellen Struktur ausgelegt. Was macht es so beliebt? Wie stellt man seine gute Leistung im PCB-Design sicher? Mit diesen beiden Fragen gehen wir zum nächsten Teil der Diskussion über. Was ist ein Differenzsignal? In Laienangaben sendet das Antriebsende zwei gleiche und umgekehrte Signale, und das Empfangsende beurteilt den logischen Zustand "0" oder "1", indem es die Differenz zwischen den beiden Spannungen vergleicht. Das Paar von Leitern, die Differenzsignale tragen, wird Differentialspuren genannt.

Im Vergleich zu gewöhnlichen einseitigen Signalspuren haben Differenzsignale die offensichtlichsten Vorteile in den folgenden drei Aspekten:

1. Starke Anti-Interferenz Fähigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden differentiellen Spuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen von außen sind sie fast gleichzeitig an die beiden Leitungen gekoppelt, und das Empfangsende kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Dadurch kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig abgebrochen werden.

2. Es kann EMI effektiv unterdrücken. Aus dem gleichen Grund können sich die von ihnen ausgestrahlten elektromagnetischen Felder aufgrund der entgegengesetzten Polarität der beiden Signale gegenseitig aufheben. Je enger die Kupplung, desto weniger elektromagnetische Energie wird nach außen entlüftet.

3. Die Zeitpositionierung ist genau. Da der Schalterwechsel des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, im Gegensatz zu gewöhnlichen einseitigen Signalen, die auf den hohen und niedrigen Schwellenspannungen beruhen, um zu bestimmen, wird er weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst und kann den Fehler im Timing verringern., Aber auch besser geeignet für Signalschaltungen mit geringer Amplitude. Das aktuell beliebte LVDS (Low Voltage DifferentTIal Signaling) bezieht sich auf diese kleine Amplitudendifferenzsignaltechnologie.

Für PCB-Ingenieure ist die größte Sorge, wie sichergestellt werden kann, dass diese Vorteile der Differenzverdrahtung vollständig in der tatsächlichen Verdrahtung genutzt werden können. Vielleicht versteht jeder, der mit Layout in Kontakt war, die allgemeinen Anforderungen an differentielle Verdrahtung, das heißt "gleiche Länge und gleiche Entfernung". Die gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit entgegengesetzte Polaritäten beibehalten und die Gleichtaktkomponente reduzieren; Der gleiche Abstand besteht hauptsächlich darin, sicherzustellen, dass die Differenzimpedanzen der beiden konsistent sind und Reflexionen reduzieren. "So nah wie möglich" ist manchmal eine der Anforderungen an die Differenzverdrahtung. Aber alle diese Regeln werden nicht verwendet, um mechanisch anzuwenden, und viele Ingenieure scheinen immer noch nicht das Wesen der Hochgeschwindigkeits-differenziellen Signalübertragung zu verstehen.

Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Missverständnisse im PCB Differential Signal Design.

Missverständnis 1: Es wird angenommen, dass das Differentialsignal keine Erdungsebene als Rückweg benötigt, oder dass die Differentialspuren einen Rückweg füreinander bereitstellen. Der Grund für dieses Missverständnis ist, dass sie durch oberflächliche Phänomene verwirrt werden oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung nicht tief genug ist. Differentialschaltungen sind unempfindlich gegenüber ähnlichen Erdungshülsen und anderen Rauschsignalen, die auf der Leistungs- und Erdungsebene existieren können. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. Tatsächlich ist bei der Signalrücklaufanalyse der Mechanismus der Differenzverdrahtung und der gewöhnlichen einseitigen Verdrahtung derselbe, d.h. Hochfrequenzsignale werden immer entlang der Schleife mit der kleinsten Induktivität nachgeführt. Der größte Unterschied besteht darin, dass neben der Kopplung zum Boden die Differenziallinie auch gegenseitige Kopplung aufweist. Welche Art von Kopplung ist stark und welche wird zum Hauptrückweg. Im PCB-Leiterplattendesign ist die Kopplung zwischen Differentialspuren im Allgemeinen klein, oft nur für 10-20% des Kopplungsgrades, und mehr ist die Kopplung an den Boden, so dass der Hauptrücklauf der Differentialspure immer noch auf der Erdungsplatte existiert. Wenn es eine Diskontinuität in der Erdungsebene gibt, stellt die Kopplung zwischen den Differentialspuren im Bereich ohne Bezugsebene den Hauptrücklaufweg zur Verfügung, obwohl die Diskontinuität der Referenzebene keinen Einfluss auf die Differentialspuren auf den gewöhnlichen einseitigen Spuren hat. Es ist ernst, aber es wird immer noch die Qualität des Differenzsignals verringern und EMI erhöhen. die möglichst vermieden werden sollten. Einige Konstrukteure glauben, dass die Referenzebene unter der Differentialspur entfernt werden kann, um einige Gleichtaktsignale in der Differenzübertragung zu unterdrücken. Dieser Ansatz ist jedoch in der Theorie nicht wünschenswert. Wie steuert man die Impedanz? Das Fehlen einer Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal verursacht zwangsläufig EMI-Strahlung. Dieser Ansatz schadet mehr als nützt.

Missverständnis 2: Es wird angenommen, dass der gleiche Abstand wichtiger ist als die Übereinstimmung der Zeilenlänge. Im eigentlichen Leiterplattenlayout ist es oft nicht möglich, die Anforderungen des Differentialdesigns gleichzeitig zu erfüllen. Aufgrund der Existenz von Faktoren wie Pin-Verteilung, Durchkontaktierungen und Verdrahtungsraum muss der Zweck der Linienlängenanpassung durch eine ordnungsgemäße Wicklung erreicht werden, aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differenzialpaares nicht parallel sein können. Die wichtigste Regel beim Design von PCB-Differenzspuren ist die passende Linienlänge. Andere Regeln können je nach Konstruktionsanforderungen und tatsächlichen Anwendungen flexibel gehandhabt werden.

Missverständnis 3: Denken Sie, dass die Differenzverdrahtung sehr nah sein muss. Die Nähe der Differentialspuren zu halten, ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, was nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, sondern auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes voll ausnutzen kann, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, ist er nicht absolut. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig von externen Störungen abgeschirmt sind, müssen wir keine starke Kupplung verwenden, um Interferenzschutz zu erzielen. Und der Zweck, EMI zu unterdrücken. Wie können wir eine gute Isolierung und Abschirmung von Differentialspuren sicherstellen? Das Vergrößern des Abstandes mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegendsten Möglichkeiten. Die elektromagnetische Feldenergie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Im Allgemeinen ist die Interferenz zwischen ihnen extrem schwach, wenn der Linienabstand das Vierfache der Linienbreite überschreitet. Kann ignoriert werden. Darüber hinaus kann die Isolation durch die Bodenebene auch eine gute Abschirmfunktion spielen. Diese Struktur wird oft im Hochfrequenz-IC-Paket-PCB-Design (über 10G) verwendet. Es wird eine CPW-Struktur genannt, die eine strenge differentielle Impedanz gewährleisten kann. Steuerung (2Z0).

Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten laufen, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten produziert werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Wenn die benachbarten beiden Schichten nicht fest gekoppelt sind, verringert dies die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn Sie einen angemessenen Abstand zu den umliegenden Spuren beibehalten können, ist Übersprechen kein Problem. Bei allgemeinen Frequenzen (unter GHz) wird EMI kein ernsthaftes Problem darstellen. Experimente haben gezeigt, dass die Dämpfung der abgestrahlten Energie in einem Abstand von 500 Mio. von der Differentialspur entfernt 60dB in einem Abstand von 3 Metern erreicht hat, was ausreicht, um den FCC-Standard für elektromagnetische Strahlung zu erfüllen, so dass der Konstrukteur nicht zu viel über die elektromagnetische Inkompatibilität sorgen muss, die durch unzureichende differentielle Linienkopplung verursacht wird.