Tecnología de PCB - Análisis y disposición de la línea de señal diferencial

Con el rápido aumento de la demanda de velocidad en loS últimos años, el nuevo Protocolo de bus sigue proponiendo una mayor velocidad. El Protocolo de bus tradicional ya no puede cumplir los requisitos. El bus serie es favorecido por muchos diseñadores debido a su mejor anti - interferencia, menos líneas de señal y mayor velocidad. El bus serie, especialmente la señal diferencial, es el más popular. Por lo tanto, en este artículo, cotejo algunos diseños de líneas de señal diferencial y los discuto con ustedes.

1. Principio, ventajas y desventajas de la línea de señal diferencial

Differential signal (Differential Signal) is more and more widely used in high-speed Circumfluence Diseño. Las señales más críticas en un circuito son generalmente: DiseñoEd con estructura diferencial. Qué lo hace tan popular? Cómo asegurarse de que Placa de circuito impreso Diseño? Estas dos preguntas, Pasamos a la siguiente parte. Qué es una señal diferencial? En palabras de un laico, El conductor envía dos señales iguales y opuestas, El receptor determina el Estado lógico "0" o "1" comparando la diferencia entre dos tensiones.. Un par de trayectorias con señales diferenciales se llama trayectorias diferenciales..

En comparación con los rastros de señal de un solo extremo, la señal diferencial tiene las ventajas más obA través del agujero en los siguientes tres aspectos:

La capacidad anti - interferencia es fuerte porque el acoplamiento entre dos trayectorias diferenciales es muy bueno. Cuando hay interferencia acústica externa, se acoplan casi simultáneamente a dos líneas, y el receptor sólo se preocupa por la diferencia entre las dos señales. Por lo tanto, el ruido de modo común externo se puede eliminar completamente.

Puede inhibir eficazmente el IME. Por la misma razón, debido a la polaridad opuesta de las dos señales, los campos electromagnéticos que irradian pueden ser compensados entre sí. Como se muestra, la corriente en aa 'es de derecha a izquierda, y el voltaje en bb' es de izquierda a izquierda. Sí, de acuerdo con la Ley de la hélice derecha, sus líneas de fuerza magnética se cancelan entre sí. Cuanto más cerca está el acoplamiento, más líneas de fuerza magnética se cancelan entre sí. Menos energía electromagnética se libera al mundo exterior.

El tiempo y la posición son precisos. Debido a que el cambio de conmutación de la señal diferencial se encuentra en el punto de intersección de dos señales, que es diferente de la señal común de un solo extremo, se determina por el alto voltaje umbral y el bajo voltaje umbral, y se ve menos afectado por el proceso y la temperatura, lo que puede reducir el error de tiempo. Y es más adecuado para circuitos de señal de baja amplitud. El popular LVDS (señalización diferencial de baja tensión) se refiere a la tecnología de señalización diferencial de baja amplitud.

2. Ejemplo de señal diferencial: LVDS

LVDS (Low Voltage Differential Signaling) is a low-swing current-type Señal diferencial technology, Esto permite la transmisión diferencial de la señal Placa de circuito impreso Un par de cables o un cable de equilibrio con una velocidad de varios cientos de Mbps, La amplitud de baja tensión y la salida de baja corriente se realizan para lograr un bajo ruido y un bajo consumo de energía.. El controlador LVDS consiste en una fuente de corriente que conduce un par de líneas diferenciales. La corriente es generalmente 3.5mA). El receptor LVDS tiene una Impedancia de entrada muy alta, Por lo tanto, la mayor parte de la corriente de salida del conductor fluye a través de la resistencia de emparejamiento de 100ω y está conectada al receptor.. El terminal de entrada genera aproximadamente 350 ma de tensión. Cuando el conductor da la vuelta, Cambia la dirección de la corriente que fluye a través de la resistencia, Por lo tanto, se generan Estados lógicos "1" y "0" válidos.. Señal de conducción de baja amplitud para lograr un funcionamiento de alta velocidad y reducir el consumo de energía, Además, la señal diferencial proporciona una oscilación de baja tensión con un margen de ruido adecuado y reduce en gran medida el consumo de energía.. Una reducción significativa de la Potencia permite la integración de múltiples controladores y receptores de interfaz en un solo Ci. Esto aumenta Placa de circuito impreso Board and reduces the cost.

En el interiordependientemente de si el medio de transmisión LVDS utilizado es Placa de circuito impreso Par o cable, Deben adoptarse medidas para evitar que la señal se refleje en los terminales dieléctricos y reducir al mismo tiempo la interferencia electromagnética.. LVDS requires the use Pertenecer a termination resistor (100±20Ω) that matches the medium. La resistencia termina la señal de corriente circulante y debe estar lo más cerca posible de la entrada del receptor. Los conductores LVDS pueden conducir pares retorcidos a velocidades superiores a 155.5 Mbps a una distancia superior a 10 m. El límite real de velocidad es: 1. Velocidad de transmisión de los datos ttl al controlador; 2.. Rendimiento del ancho de banda de los medios.

El Multiplexor se utiliza generalmente en el lado del conductor y el demultiplexor se utiliza en el lado del receptor para realizar la conversión multiplexante de múltiples canales ttl y un canal LVDS para aumentar la velocidad de la señal y reducir el consumo de energía. Reducir el número de medios de transmisión e interfaces, reducir la complejidad del equipo.

El receptor LVDS puede soportar un cambio de tensión de puesta a tierra de al menos ± 1 V entre el conductor y el receptor. Debido a que el voltaje de sesgo típico del conductor LVDS es + 1,2 V, la variación del voltaje de puesta a tierra, la suma del voltaje de sesgo del conductor y el ruido de acoplamiento ligero, la entrada del receptor es el voltaje de modo común relativo al suelo del receptor. El rango de modo común es + 0,2v ½ž + 2,2v. El rango de tensión de entrada recomendado para el receptor es: 0v ⅱ ⅱ + 2,4v.

3. Requisitos de cableado para señales diferenciales:

Para los ingenieros de Placa de circuito impreso, la mayor preocupación es cómo asegurar que estas ventajas de la línea de distribución diferencial se aprovechen plenamente en el cableado real. Tal vez cualquiera que haya estado en contacto con el diseño entienda el requisito general de las líneas de distribución de diferencias, es decir, dos puntos a tener en cuenta en el cableado de los pares de diferencias. En primer lugar, la longitud de los dos cables debe ser lo más larga posible, la misma longitud es para asegurar el tiempo de las dos señales diferenciales. Mantenga la polaridad opuesta y reduzca el componente de modo común. La otra es que la distancia entre los dos cables, determinada por la impedancia diferencial, debe mantenerse constante, es decir, paralela. Hay dos maneras paralelas, una es que dos cables se colocan uno al lado del otro en la misma capa, y la otra es que dos cables se colocan en dos capas adyacentes (arriba y abajo). Por lo general, el primero tiene más implementaciones paralelas.

La equidistancia se utiliza principalmente para asegurar que la impedancia diferencial entre los dos sea la misma y reducir la reflexión. Los modos de cableado de los pares diferenciales deben ser apropiadamente cercanos y paralelos. El grado de aproximación adecuado se debe a que la distancia afectará el valor de la impedancia diferencial, que es un parámetro importante en el diseño del par diferencial. El paralelismo también es necesario para mantener la consistencia de la impedancia diferencial. Si dos líneas se acercan repentinamente, la impedancia diferencial será inconsistente, lo que afectará la integridad de la señal y el retraso de tiempo.

Aquí está el modelo de línea de transmisión diferencial

Para facilitar el análisis, los pares de líneas diferenciales se describen generalmente de acuerdo con las impedancias y retrasos de los modos impares e pares, y están estrechamente relacionados con estas partes de sus modos diferenciales y comunes, por lo que pueden ser calculados por la ecuación 1.

Aquí ctot = cself + cm. Cself es la Capacitancia entre una línea y el suelo, y CM es la Capacitancia entre dos líneas. Lself y LM son la autoinducción de una línea y la Inductancia mutua entre dos líneas, respectivamente.

La impedancia diferencial se define como la impedancia medida entre dos conductores diferenciales. (cuando dos señales son idénticas pero polares opuestas, el llamado dispositivo de conducción diferencial). La impedancia diferencial se refiere a la Impedancia de modo impar. La Impedancia de modo impar se refiere a la Impedancia de la línea de transmisión de alineación diferencial cuando dos cables están impulsados por la diferencia [3]. La impedancia del modo par se refiere a la Impedancia de dos cables en el par diferencial cuando ambos cables son conducidos al suelo por una sola señal del modo común.

Usando la ecuación 1, se puede obtener: impedancia diferencial

Impedancia de modo común

Pero todas estas reglas no se aplican mecánicamente, y muchos ingenieros todavía parecen no entender la naturaleza de la transmisión de señales diferenciales de alta velocidad. A continuación se destacan algunos malentendidos comunes en el diseño de señales diferenciales de Placa de circuito impreso.

Malentendido 1: se supone que las señales diferenciales no necesitan un plano de tierra como ruta de retorno, o que las trazas diferenciales se proporcionan mutuamente rutas de retorno. La razón de este malentendido es que están confundidos por fenómenos superficiales o que el mecanismo de transmisión de señales de alta velocidad no es lo suficientemente profundo. Aunque los circuitos diferenciales son insensibles a rebotes similares y otras señales de ruido que pueden existir en la fuente de alimentación y el plano de tierra. La cancelación parcial del eco del plano del suelo no significa que el circuito diferencial no utilice el plano de referencia como la trayectoria del eco de la señal. De hecho, en el análisis de retorno de la señal, el mecanismo del cableado diferencial es el mismo que el cableado de un solo extremo, es decir, la señal de alta frecuencia siempre regresa a lo largo del bucle con Inductancia mínima, la mayor diferencia es que además del acoplamiento con el suelo, la línea diferencial también tiene Acoplamiento mutuo. ¿Qué acoplamiento es fuerte y cuál se convierte en la principal ruta de retorno?

In Placa de circuito impresoDiseño de circuitos, El acoplamiento entre trayectorias diferenciales es generalmente pequeño, Normalmente sólo representa entre el 10% y el 20% del grado de acoplamiento, Más importante aún, el acoplamiento con el suelo, Por lo tanto, la trayectoria de retorno principal de la trayectoria diferencial todavía existe en el plano del suelo. . Cuando hay discontinuidades en el plano local, El acoplamiento entre trazas diferenciales proporcionará la ruta principal de retorno en una región sin plano de referencia. Aunque la influencia de la discontinuidad del plano de referencia en las trayectorias diferenciales no es tan grave como las trayectorias ordinarias de un solo extremo, Todavía reduce la calidad de la señal diferencial y aumenta el IME, Esto debe evitarse en la medida de lo posible. Algunos DiseñoERS cree que el plano de referencia en la trayectoria diferencial puede ser eliminado para suprimir algunas señales de modo común en la transmisión diferencial.. Sin embargo,, Este método no es teóricamente deseable. Cómo controlar la Impedancia? La falta de un circuito de impedancia de puesta a tierra para la señal de modo común conducirá inevitablemente a la radiación EMI. Este método hace más daño que bien.

Por lo tanto, la trayectoria de retorno del plano de tierra del Placa de circuito impreso se mantiene ancha y corta. Trate de no cruzar islas (A través de fuentes de energía adyacentes o áreas separadas de la tierra). Por ejemplo, Universal Serial Bus, Sata y PCI - Express en el diseño de la placa base es mejor no cruzar islas aisladas. Asegúrese de que hay un plano de tierra completo o plano de potencia bajo estas señales.

Mito 2: la gente piensa que es más importante mantener la distancia igual que la longitud de la línea de coincidencia. Práctica Diseño de Placa de circuito impreso, Por lo general, no es posible cumplir los requisitos del diferencial Diseño Al mismo tiempo. Debido a la distribución de pin y otros factores, vias, Espacio de cableado, El objetivo de la correspondencia de la longitud de la línea debe lograrse mediante un devanado adecuado., Pero el resultado debe ser que algunas regiones del par diferencial no pueden ser paralelas. De hecho,, Espaciamiento desigual. El impacto es mínimo. En comparación, El desajuste de la longitud de la línea tiene un mayor efecto en el tiempo.. Análisis teórico, Aunque el espaciamiento inconsistente causará cambios en la impedancia diferencial, Porque el acoplamiento entre los pares de diferencias no es significativo, El rango de impedancia también es muy pequeño, Normalmente dentro del 10%, Esto equivale a un solo paso. La reflexión causada por el agujero no tiene un efecto significativo en la transmisión de la señal.. Una vez que la longitud de la línea no coincide, Además del desplazamiento temporal, Introducción de componentes de modo común en señales diferenciales, Esto reduce la calidad de la señal y aumenta el IME.

Se puede decir que la regla más importante en el diseño de trazas diferenciales de Placa de circuito impreso es la longitud de la línea de coincidencia. Otras reglas pueden ser manejadas de manera flexible de acuerdo con los requisitos de diseño y la aplicación práctica. Al mismo tiempo, para compensar la coincidencia de impedancia, se puede a ñadir una resistencia coincidente entre los pares de líneas diferenciales en el extremo receptor. El valor debe ser igual al valor de impedancia diferencial. De esta manera, la calidad de la señal será mejor.

Por consiguiente, se proponen los dos puntos siguientes:

La resistencia de la terminal se utiliza para lograr la máxima coincidencia con la línea de transmisión diferencial, y el valor de la resistencia es generalmente entre 90 y 130 islas. El sistema también necesita la resistencia de la terminal para producir el voltaje diferencial de funcionamiento normal;

Es preferible utilizar resistencias montadas en superficie con una precisión del 1 - 2% en líneas diferenciales. Si es necesario, se pueden utilizar dos resistencias con una resistencia de 50, con un condensador conectado a tierra en el Centro para filtrar el modo común. Ruido

Por lo general, el requisito de coincidencia de reloj de señal diferencial, etc. es igual a + / - 10 mils.

Malentendido 3: el cableado diferencial debe estar muy cerca. Mantener las trayectorias diferenciales cerca no sólo aumenta su acoplamiento, sino que también puede hacer pleno uso de la polaridad opuesta del campo magnético para contrarrestar la interferencia electromagnética en el mundo exterior. Aunque este enfoque es muy útil en la mayoría de los casos, no es absoluto. Si podemos asegurarnos de que están completamente protegidos contra la interferencia externa, entonces no necesitamos usar acoplamiento fuerte para lograr anti - interferencia. Y el propósito de inhibir el IME. ¿Cómo garantizar un buen aislamiento y blindaje de las trazas diferenciales? Uno de los métodos más básicos es aumentar el espaciamiento de las trazas de otras señales. La energía del campo electromagnético disminuye con el cuadrado de la distancia. Por lo general, la interferencia entre las líneas es muy débil cuando la distancia entre ellas es más de cuatro veces la anchura de la línea. Puede ser ignorado. Además, el aislamiento del plano de puesta a tierra también puede desempeñar un buen papel de blindaje. Esta estructura se utiliza generalmente para el diseño de Placa de circuito impreso de alta frecuencia (más de 10 g). Se llama estructura cpw y garantiza una impedancia diferencial estricta. Control (2z0).

El trazado diferencial también puede funcionar en diferentes capas de señal, pero este método no se recomienda generalmente, ya que las diferencias de impedancia y a través de agujeros en diferentes capas destruirán el efecto de la transmisión del modo diferencial e introducirán ruido de modo común. Además, si las dos capas adyacentes no están estrechamente acopladas, la capacidad de resistencia al ruido de la trayectoria diferencial se reducirá, pero si se puede mantener una distancia adecuada de la trayectoria circundante, la conversación cruzada no es un problema. El IME no se convierte en un problem a serio en frecuencias generales (por debajo de GHz). Los resultados experimentales muestran que la atenuación de la energía de radiación a 500 mils de la trayectoria diferencial alcanza 60 dB a una distancia de 3 metros, lo que es suficiente para cumplir el estándar de radiación electromagnética FCC. Por lo tanto, los diseñadores no tienen que preocuparse demasiado por la incompatibilidad electromagnética causada por el acoplamiento insuficiente de la Línea diferencial.

4. Oftalmología

En la prueba de señales diferenciales, a menudo nos encontramos con un elemento de prueba es eyemap, muchos principiantes de diseño pueden haber oído hablar de la prueba eyemap. Pero todavía hay mucha gente que no sabe cómo llegaron los mapas de ojos. Aprender a observar los diagramas oculares es útil para sus propias pruebas y depuración. A continuación se describen los diagramas oculares.

En cada ciclo de reloj, habrá una señal en la transmisión. Sin embargo, si se trata de un flujo de bits muy largo (BITs), es difícil determinar si la señal cumple las especificaciones (especificaciones). Para facilitar el análisis, si todos los bits de señal pueden formar un Diagram a de señal, puede ver y superponer los diagramas para ver si se ajustan a las especificaciones. Aquí está el ojo.

Como se muestra en la siguiente figura, se supone que todas las señales se disparan en el borde ascendente del reloj. Las formas de onda de todas las señales de datos se extraen y se superponen de acuerdo con el borde ascendente. Cada una de estas formas de onda se llama símbolo. Como se muestra en la figura (sólo se toma una forma de onda para que el lector pueda ver claramente), esto forma la primera mitad del ojo. Luego se extraen y apilan de acuerdo con el borde de caída, y luego se puede formar la segunda mitad del ojo. Mientras tanto, las formas de onda de señal de alto o bajo nivel forman la parte superior e inferior del ojo. Esto forma un oftalmograma estándar (como se muestra a continuación). Entonces to do lo que tienes que hacer es definirlo en el ocular de acuerdo a la especificación de la señal.

Por supuesto, la siguiente figura también muestra CLK, la señal diferencial real en serie no puede detectar el reloj en la línea de señal.

Tomemos un ejemplo. La calidad de la señal es muy mala en el ojo. La calidad de la señal es muy pobre. Los bordes ascendentes y descendentes son demasiado lentos, la consistencia es demasiado pobre, el alto nivel de la señal no es suficiente, la desviación es demasiado grande.

5. Medición de la señal diferencial.

En términos generales, la conexión de entrada, el Amplificador diferencial o la interconexión entre la sonda y la fuente de señal es la mayor fuente de error. Para mantener las entradas coincidentes, los dos canales deben ser lo más idénticos posible. Cualquier cableado de los dos terminales de entrada debe tener la misma longitud. Si se utiliza una sonda, debe ser del mismo tipo y longitud. Evite el uso de sondas de atenuación para medir señales de baja frecuencia con alta tensión de modo común. En la ganancia alta, la sonda no se puede utilizar en absoluto, ya que no es posible equilibrar con precisión su atenuación. Cuando la atenuación sea necesaria para aplicaciones de alta tensión o alta frecuencia, se utilizarán sondas pasivas especiales diseñadas especialmente para amplificadores diferenciales. La sonda tiene un dispositivo que puede ajustar con precisión la atenuación DC y la compensación AC. Para obtener un rendimiento óptimo, cada amplificador en particular debe tener un conjunto específico de sondas y calibrarse de acuerdo con el procedimiento que acompaña a ese conjunto de sondas.

Un método común es el par de torsión + y el cable de entrada. Esto reduce la posibilidad de interferencia de frecuencia y otros ruidos en la línea de recogida. Si desea capturar el ojo, consulte con el fabricante del instrumento para obtener el último software y accesorios. Normalmente, el software y los accesorios se cobran por separado