Tecnología de PCB - Malentendidos en el diseño de señales diferenciales de PCB

Varios malentendidos comunes en la señal diferencial y la señal diferencial de diseño de PCB

La señal diferencial es cada vez más utilizada en el diseño de circuitos de alta velocidad. Las señales más críticas en los circuitos suelen diseñarse para tener una estructura diferencial. ¿¿ qué lo hace tan popular? ¿¿ cómo garantizar su buen rendimiento en el diseño de pcb? Con estas dos preguntas, pasamos a la siguiente parte de la discusión. ¿¿ qué es una señal diferencial? En palabras de laico, el extremo conductor envía dos señales iguales y inversas, y el extremo receptor juzga el Estado lógico "0" o "1" comparando la diferencia entre los dos voltaje. Un par de rastros que llevan señales diferenciales se llaman rastros diferenciales.

En comparación con los rastros de señal de un solo extremo ordinarios, la señal diferencial tiene las ventajas más obvias en los siguientes tres aspectos:

1. fuerte capacidad antiinterferencia porque el acoplamiento entre los dos rastros diferenciales es muy bueno. Cuando hay interferencia acústica del exterior, se acoplan casi simultáneamente a dos líneas, y el extremo receptor solo se preocupa por la diferencia entre las dos señales. Por lo tanto, el ruido de modo común externo se puede eliminar por completo.

2. puede inhibir eficazmente el emi. Por la misma razón, debido a las polaridades opuestas de las dos señales, los campos magnéticos que irradian pueden compensarse entre sí. Cuanto más estrecho sea el acoplamiento, menos energía electromagnética se liberará al mundo exterior.

3. posicionamiento cronológico preciso. Debido a que la variación del interruptor de la señal diferencial se encuentra en la intersección de dos señales, a diferencia de las señales ordinarias de un solo extremo, depende de un voltaje umbral alto y un voltaje umbral bajo para determinar, por lo que se ve menos afectada por el proceso y la temperatura, y puede reducir el error cronológico. Pero también es más adecuado para circuitos de señal de baja amplitud. La popular LVDS (señal diferencial de baja tensión) se refiere a esta tecnología de señal diferencial de pequeña amplitud.

Para los ingenieros de pcb, la mayor preocupación es cómo garantizar que estas ventajas de las líneas de distribución diferencial se puedan aprovechar al máximo en el cableado real. Tal vez cualquiera que haya estado en contacto con el diseño entienda el requisito general de la línea de distribución de diferencias, es decir, "equidistancia". La longitud igual es para garantizar que las dos señales diferenciales siempre mantengan la polo opuesta y reduzcan los componentes de modo común; Las distancias iguales son principalmente para garantizar que las impedancias diferenciales de ambos sean consistentes y reducir la reflexión. "Estar lo más cerca posible" es a veces uno de los requisitos para el cableado diferencial. Pero todas estas reglas no se utilizan para aplicaciones mecánicas, y muchos ingenieros todavía parecen no entender la esencia de la transmisión de señales diferenciales de alta velocidad.

Los siguientes se centran en varios malentendidos comunes en el diseño de señales diferenciales de pcb.

Malentendido 1: se cree que las señales diferenciales no necesitan un plano del suelo como ruta de retorno, o que las rutas diferenciales se proporcionan rutas de retorno entre sí. 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. Los circuitos diferenciales no son sensibles a posibles rebotes similares de tierra y otras señales de ruido en la fuente de alimentación y el plano de tierra. La eliminación parcial del retorno del plano del suelo no significa que el circuito diferencial no utilice el plano de referencia como ruta de retorno de la señal. De hecho, en el análisis de retorno de la señal, el mecanismo de la línea de distribución diferencial y el cableado ordinario de un solo extremo es el mismo, es decir, la señal de alta frecuencia siempre regresa a lo largo del Circuito con la menor inducción. La mayor diferencia es que, además del acoplamiento a la tierra, las líneas diferenciales también tienen acoplamiento mutuo. Qué tipo de acoplamiento es un acoplamiento fuerte y qué tipo de acoplamiento se convierte en la principal ruta de retorno. En el diseño de placas de circuito pcb, el acoplamiento entre las trazas diferenciales suele ser pequeño, generalmente solo representa el 10 - 20% del grado de acoplamiento, más acoplamiento a la tierra, por lo que la ruta principal de retorno de la trayectoria diferencial todavía existe en el plano de tierra. El acoplamiento entre trazas diferenciales en áreas sin plano de referencia proporcionará la ruta principal de retorno cuando haya una discontinuidad en el plano de puesta a tierra, aunque la discontinuidad del plano de referencia no afecta a la trayectoria diferencial en un solo extremo ordinario. esto es grave, pero aún así reduce la calidad de la señal diferencial y aumenta el emi, Esto debe evitarse en la medida de lo posible. Algunos diseñadores creen que el plano de referencia fuera del rastro diferencial se puede eliminar para suprimir algunas señales de modo común en la transmisión diferencial. Sin embargo, este método no es teóricamente aconsejable. ¿¿ cómo controlar la resistencia? No proporcionar un circuito de resistencia a la tierra para la señal de modo común causará inevitablemente radiación emi. Este método hace más daño que bien.

Malentendido 2: se cree que es más importante mantener la misma distancia que coincidir con la longitud de la línea. En el diseño real de pcb, a menudo es imposible cumplir con los requisitos del diseño diferencial al mismo tiempo. Debido a factores como la distribución de los pines, los agujeros de paso y el espacio de cableado, el propósito de emparejar la longitud de la línea debe lograrse a través de un devanado adecuado, pero el resultado debe ser que algunas áreas del par diferencial no pueden ser paralelas. La regla más importante en el diseño de la traza diferencial de PCB es la longitud de la línea de emparejamiento. Otras reglas se pueden manejar con flexibilidad de acuerdo con los requisitos de diseño y la aplicación real.

Malentendido 3: se cree que el cableado diferencial debe estar muy cerca. Mantener los rastros diferenciales cerca no es más que mejorar su acoplamiento, lo que no solo puede mejorar la inmunidad al ruido, sino también aprovechar al máximo la polo opuesta del campo magnético para compensar la interferencia electromagnética con el mundo exterior. Aunque este método es muy beneficioso en la mayoría de los casos, no es absoluto. Si podemos asegurarnos de que bloqueen completamente las interferencias externas, entonces no necesitamos usar un fuerte acoplamiento para lograr anti - interferencia. Y el propósito de inhibir el emi. ¿¿ cómo podemos garantizar un buen aislamiento y blindaje de las trazas diferenciales? Aumentar la distancia de otros rastros de señal es una de las formas más básicas. La energía del campo electromagnético disminuye con el cuadrado de la distancia. Por lo general, cuando el espaciamiento de las líneas supera las cuatro veces el ancho de las líneas, la interferencia entre ellas es extremadamente débil. Se puede ignorar. Además, el aislamiento del plano de tierra también puede desempeñar un buen papel de blindaje. Esta estructura se utiliza generalmente en el diseño de PCB encapsulados IC de alta frecuencia (más de 10g). Se llama estructura cpw y puede garantizar una resistencia diferencial estricta. Control (2z0).

Los rastros diferenciales también pueden funcionar en diferentes capas de señal, pero este método no se recomienda en general, ya que las diferencias en la resistencia y el agujero generados por las diferentes capas destruyen el efecto de la transmisión del modo diferencial e introducen ruido de modo común. Además, si las dos capas adyacentes no están estrechamente acopladas, Esto reducirá la capacidad de los rastros diferenciales para resistir el ruido, pero si puedes mantener la distancia adecuada de los rastros circundantes, la conversación cruzada no es un problema. A una frecuencia general (por debajo del gigahertz), la interferencia electromagnética no será un problema grave. Los experimentos han demostrado que la atenuación de la energía de radiación alcanza los 60 dB a una distancia de 3 metros a una distancia de 500 milímetros del rastro diferencial, lo que es suficiente para cumplir con los estándares de radiación electromagnética fcc, por lo que los diseñadores no tienen que preocuparse demasiado por la compatibilidad electromagnética causada por el acoplamiento insuficiente de La línea diferencial.