Technologie PCB - Analyse et disposition des lignes de signaux différentiels

Avec la croissance rapide des exigences de vitesse au cours des dernières années, de nouveaux protocoles de bus continuent de proposer des vitesses plus élevées. Les protocoles de bus traditionnels ne répondent plus aux exigences. Le bus série est favorisé par de nombreux concepteurs pour ses avantages tels que la forte résistance aux interférences, moins de lignes de signal et une vitesse rapide. Alors que la façon dont le bus série et surtout le signal différentiel sont les plus nombreux. Donc, dans cet article, j'ai trié quelques conceptions de lignes de signal différentiel et en ai discuté avec vous tous.

1. Principe, avantages et inconvénients de la ligne de signal différentiel

Le signal différentiel (Differential Signal) est de plus en plus utilisé dans la conception de circuits à grande vitesse. Les signaux les plus critiques dans un circuit sont généralement conçus pour avoir une structure différentielle. Qu’est - ce qui le rend si populaire? Comment garantir sa bonne performance dans la conception de PCB? Avec ces deux questions, nous passons à la prochaine partie de la discussion. Qu'est - ce qu'un signal différentiel? En termes profanes, le conducteur envoie deux signaux égaux et inversés et le récepteur juge l'état logique "0" ou "1" en comparant la différence entre les deux tensions. Une paire de traces portant un signal différentiel est appelée trace différentielle.

Le signal différentiel présente les avantages les plus évidents par rapport aux traces de signal simples ordinaires dans les trois domaines suivants:

A. forte capacité anti - brouillage, car le couplage entre les deux traces différentielles est très bon. Lorsqu'il y a des interférences bruyantes de l'extérieur, elles sont couplées presque simultanément sur les deux lignes et la réception ne se soucie que de la différence entre les deux signaux. Il est ainsi possible d'éliminer complètement le bruit de mode commun externe.

B. peut inhiber efficacement EMI. Pour la même raison, les champs électromagnétiques qu'ils rayonnent peuvent s'annuler mutuellement en raison des polarités opposées des deux signaux. Comme le montre la figure, le courant dans aa 'est de droite à gauche et le courant actuel dans BB' est de gauche à gauche. Oui, puis selon la loi de la spirale droite, leurs lignes de champ magnétique s'annulent mutuellement. Plus le couplage est serré, plus les lignes de champ magnétique s'annulent mutuellement. Moins d'énergie électromagnétique est libérée vers l'extérieur.

C. positionnement temporel précis. La variation de commutation du signal différentiel étant située à l'intersection des deux signaux, elle est déterminée à partir d'une tension de seuil haute et d'une tension de seuil basse, contrairement à un signal simple ordinaire, et est donc moins influencée par le procédé et la température, ce qui peut réduire les erreurs de synchronisation, Mais aussi plus adapté aux circuits de signalisation de faible amplitude. Le LVDS (Low Voltage Differential Signal) actuellement populaire fait référence à cette technologie de Signalisation différentielle de faible amplitude.

2. Exemple de signal différentiel: LVDS

LVDS (Low Voltage Differential Signaling, Signalisation différentielle basse tension) est une technologie de Signalisation différentielle de type courant à faible amplitude pendulaire qui permet de transmettre des signaux à des vitesses de plusieurs centaines de Mbps sur des paires de lignes PCB différentielles ou des câbles équilibrés et d'obtenir leur faible amplitude de tension et leur faible courant de sortie Pour un faible bruit et une faible consommation d'énergie. Un pilote LVDS est constitué d'une source de courant qui pilote une paire de lignes différentielles. Le courant est typiquement de 3,5 ma). Les récepteurs LVDS ont une impédance d'entrée très élevée, de sorte que la majeure partie du courant sortant du pilote circule à travers une résistance adaptée de 100° et est connectée au récepteur. Une tension d'environ 350 ma est générée à l'entrée. Lorsque le conducteur est renversé, il change le sens du courant qui traverse la résistance, ce qui produit des états logiques "1" et "0" valides. Le signal d'entraînement à faible amplitude pendulaire permet un fonctionnement à grande vitesse et réduit la consommation d'énergie, tandis que le signal différentiel fournit une amplitude pendulaire à faible tension avec une marge de bruit appropriée et réduit considérablement la consommation d'énergie. Une réduction importante de la puissance permet l'intégration de plusieurs pilotes et récepteurs d'interface sur un seul circuit intégré. Cela augmente l'efficacité de la carte PCB et réduit les coûts.

Que le support de transmission LVDS utilisé soit une paire de lignes PCB ou un câble, des mesures doivent être prises pour empêcher la réflexion du signal aux bornes du support tout en réduisant les interférences électromagnétiques. Le LVDS nécessite l'utilisation de résistances terminales (100 ± 20 îlots) adaptées au support. Cette résistance termine le signal de courant cyclique et doit être placée aussi près que possible de l'entrée du récepteur. Les disques LVDS peuvent conduire des paires Torsadées à des vitesses supérieures à 155,5 Mbps sur des distances de plus de 10 mètres. Les limites réelles de vitesse sont: 1. La vitesse à laquelle les données TTL sont envoyées au disque; 2. Performance de bande passante du média.

Il est courant d'utiliser un multiplexeur côté pilote et un démultiplexeur côté récepteur pour Multiplexer plusieurs voies TTL et une voie LVDS pour augmenter le débit du signal et réduire la consommation d'énergie. Et réduit le nombre de supports de transmission et d'interfaces, réduisant ainsi la complexité de l'équipement.

Le récepteur LVDS peut supporter des variations de tension de masse d'au moins ± 1 V entre le conducteur et le récepteur. Comme la tension de polarisation typique d'un pilote LVDS est de + 1,2 V, c'est - à - dire la somme de la variation de la tension de masse, de la tension de polarisation du pilote et du bruit de couplage léger, l'entrée du récepteur est une tension de mode commun par rapport à la masse du récepteur. La plage de mode commun est: + 0,2vï½ + 2,2v. La plage de tension d'entrée recommandée pour le récepteur est: 0vï½ + 2,4v.

3. Exigences de câblage de signal différentiel:

Pour les ingénieurs PCB, la principale préoccupation est de s'assurer que ces avantages de la ligne de distribution différentielle peuvent être pleinement exploités dans le câblage réel. Peut - être que ceux qui ont été en contact avec Layout comprendront les exigences générales du câblage différentiel, c'est - à - dire que le câblage d'une paire différentielle a deux points à noter. L'un est que la longueur des deux fils doit être aussi longue que possible, tandis que des longueurs égales sont nécessaires pour assurer la synchronisation des deux signaux différentiels. Conserver la polarité opposée et réduire la composante de mode commun. L'autre est que la distance entre les deux fils (cette distance étant déterminée par l'impédance différentielle) doit rester constante, c'est - à - dire qu'elle doit rester parallèle. Il y a deux façons parallèles, l'une où deux fils circulent côte à côte sur la même couche, et l'autre où ces deux fils circulent sur deux couches adjacentes, supérieure et inférieure (supérieure et inférieure). En général, le premier a plus d'implémentations parallèles.

L'équidistance vise principalement à assurer la même impédance différentielle entre les deux et à réduire la réflexion. Les méthodes de câblage des paires différentielles doivent être convenablement proches et parallèles. Une proximité dite appropriée est due au fait que la distance affecte la valeur de l'impédance différentielle, qui est un paramètre important dans la conception d'une paire différentielle. Le parallélisme est également nécessaire pour maintenir la cohérence de l'impédance différentielle. Si les deux lignes sont soudainement proches et éloignées, l'impédance différentielle ne sera pas cohérente, ce qui affectera l'intégrité du signal et le retard temporel.

Voici les modèles de ligne de transmission différentielle

Pour faciliter l'analyse, les paires de lignes différentielles sont généralement décrites en fonction de leurs impédances et retards de mode impair et de mode couple, et ces parties correspondent à leurs modes différentiel et commun sont étroitement liées et peuvent donc être calculées par l'équation 1.

Ici ctot = cself + cm. Cself est la capacité entre une ligne et la masse et CM est la capacité entre deux lignes. Lself et LM sont respectivement la Self - inductance d'une ligne et l'inductance mutuelle entre les deux lignes.

L'impédance différentielle est définie comme l'impédance mesurée entre deux fils pilotés différentiellement. (ce que l'on appelle entraînement différentiel est le cas où deux signaux sont exactement identiques mais de polarités opposées). L'impédance différentielle fait référence à l'impédance de mode impair. Par impédance de mode impair, on entend l'impédance d'un fil de transmission dans une paire différentielle lorsque deux fils sont entraînés différentiellement [3]. L'impédance de mode double est l'impédance de deux fils dans une paire différentielle lorsque deux fils sont mis à la masse par un seul signal de mode commun.

Avec l'équation 1, on peut dériver: impédance différentielle

Impédance de mode commun

Mais toutes ces règles ne sont pas appliquées mécaniquement, et de nombreux ingénieurs ne semblent toujours pas comprendre la nature de la transmission de signaux différentiels à grande vitesse. Ce qui suit met en évidence plusieurs idées fausses courantes dans la conception de signaux différentiels PCB.

Mythe 1: on pense que les signaux différentiels n'ont pas besoin du plan de masse comme chemin de retour, ou que les traces différentielles se fournissent mutuellement un chemin de retour. La raison de ce malentendu est qu'ils sont embrouillés par des phénomènes superficiels ou que les mécanismes de transmission de signaux à grande vitesse ne vont pas assez loin. Bien que le circuit différentiel soit insensible à des rebonds de terre similaires et à d'autres signaux bruyants qui peuvent exister sur les plans d'alimentation et de masse. L'élimination partielle de retour du plan de masse ne signifie pas que le circuit différentiel n'utilise pas le plan de référence comme chemin de retour du signal. En effet, dans l'analyse de retour de signal, le mécanisme de la ligne de distribution différentielle et du câblage simple d'extrémité ordinaire est le même, c'est - à - dire que le signal haute fréquence est toujours renvoyé le long de la boucle où l'inductance est minimale, la grande différence étant que les lignes différentielles ont un couplage mutuel en plus de leur couplage à la masse. Quel couplage est fort et quel couplage devient le chemin de retour principal.

Dans la conception de circuits PCB, le couplage entre les traces différentielles est généralement faible et ne représente généralement que 10 à 20% du degré de couplage, plus un couplage à la masse, de sorte que le chemin de retour principal sur les traces différentielles reste présent sur le plan de la masse. Lorsqu'il y a discontinuité dans le plan local, le couplage entre les traces différentielles fournira un chemin de retour principal dans une zone sans plan de référence. Bien qu'une discontinuité dans le plan de référence n'ait pas un effet aussi grave sur la trace différentielle qu'une trace simple, elle dégrade néanmoins la qualité du signal différentiel et augmente l'EMI, ce qui devrait être évité autant que possible. Certains concepteurs pensent que le plan de référence sous la trace différentielle peut être supprimé pour supprimer certains signaux de mode commun en transmission différentielle. Cependant, cette approche n'est pas souhaitable en théorie. Comment contrôler l'impédance? Ne pas prévoir de boucle d'impédance de masse pour le signal de mode commun conduirait inévitablement à un rayonnement EMI. Cette méthode fait plus de mal que de bien.

Ainsi, gardez le chemin de retour du plan de masse du PCB large et court. Essayez de ne pas traverser les îlots (sur des zones séparées de sources d'alimentation ou de couches de mise à la terre adjacentes). Par exemple, USB, SATA et PCI - Express dans la conception de la carte mère est préférable de ne pas traverser les îlots. Assurez - vous d'avoir un plan de masse complet ou un plan d'alimentation sous ces signaux.

Mythe 2: les gens pensent qu'il est plus important de maintenir un espacement égal que de faire correspondre la longueur de la ligne. Dans la mise en page réelle de PCB, il est souvent impossible de répondre simultanément aux exigences de la conception différentielle. En raison de la présence de facteurs tels que la distribution des broches, les trous excessifs et l'espace de câblage, le but de l'adaptation de la longueur de la ligne doit être atteint par un enroulement approprié, mais il doit en résulter que certaines zones de la paire différentielle ne peuvent pas être parallèles. En fait, l'espacement n'est pas égal. L'impact est faible. En revanche, le désappariement de longueur de ligne a un effet beaucoup plus important sur la synchronisation. D'un point de vue théorique, bien qu'une incohérence de pas entraîne une variation de l'impédance différentielle, le couplage entre les paires différentielles n'étant pas significatif en soi, la plage de variation d'impédance est également faible, typiquement de l'ordre de 10%, ce qui équivaut à un seul passage, la réflexion induite par Les trous n'ayant pas d'effet significatif sur la transmission du signal. Une fois que la longueur de la ligne n'est pas adaptée, la composante de mode commun est introduite dans le signal différentiel en plus du décalage temporel, ce qui diminue la qualité du signal et augmente l'EMI.

On peut dire que la règle la plus importante dans la conception des traces différentielles de PCB est la longueur de la ligne d'appariement, d'autres règles peuvent être traitées de manière flexible en fonction des exigences de conception et de l'application pratique. Simultanément, pour compenser l'adaptation d'impédance, il est possible d'ajouter une résistance d'adaptation entre les paires de lignes différentielles en réception. Sa valeur doit être égale à celle de l'impédance différentielle. La qualité du signal sera meilleure de cette façon.

Les deux points suivants sont donc recommandés:

(A) utilisez la résistance de borne pour obtenir l'adaptation maximale avec la ligne de transmission différentielle, la valeur de résistance est généralement comprise entre 90 ~ 130, le système a également besoin de cette résistance de borne pour produire la tension différentielle de fonctionnement normal;

(b) Il est préférable d'utiliser des résistances montées en surface avec une précision de 1 à 2% sur la ligne différentielle. Si nécessaire, on peut utiliser deux résistances de 50 degrés chacune, reliées à un condensateur de masse au milieu, pour filtrer le mode commun. Le bruit

En général, les exigences d'appariement de Clock, etc. pour les signaux différentiels sont égales à + / - 10 mils près.

Mythe 3: pensez que le câblage du différentiel doit être proche. Garder les traces différentielles proches de rien n'est autre chose que d'améliorer leur couplage, ce qui permet non seulement d'améliorer l'immunité au bruit, mais aussi d'utiliser pleinement la polarité opposée du champ magnétique pour contrer les perturbations électromagnétiques sur le monde extérieur. Bien que cette méthode soit très bénéfique dans la plupart des cas, elle n’est pas absolue. Si nous pouvons nous assurer qu'ils protègent complètement contre les interférences externes, alors nous n'avons pas besoin d'utiliser un couplage fort pour atteindre l'anti - interférence. Et le but de l'inhibition de l'EMI. Comment assurer une bonne isolation et un blindage des traces différentielles? Augmenter l'espacement avec d'autres traces de signal est l'une des méthodes les plus fondamentales. L'énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. En général, lorsque l'espacement des lignes dépasse 4 fois la largeur des lignes, les interférences entre elles sont extrêmement faibles. Peut être ignoré. En outre, l'isolation du plan de masse peut également jouer un bon rôle de blindage. Cette structure est fréquemment utilisée dans la conception de circuits imprimés à haute fréquence (au - dessus de 10g). Il est connu sous le nom de structure CPW et peut assurer une impédance différentielle stricte. Contrôle (2z0).

Les traces différentielles peuvent également fonctionner dans différentes couches de signal, mais cette approche n'est généralement pas recommandée car les différences d'impédance et de porosités générées par les différentes couches perturbent les effets de la transmission en mode différentiel et introduisent un bruit de mode commun. De plus, si les deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, cela réduit la résistance des traces différentielles au bruit, mais la diaphonie n'est pas un problème si vous pouvez garder une distance appropriée des traces environnantes. Aux fréquences générales (inférieures au gigahertz), les perturbations électromagnétiques ne seront pas un problème sérieux. Des expériences ont montré qu'à une distance de 500 mils de la trace différentielle, l'atténuation de l'énergie rayonnée atteint 60 dB à une distance de 3 mètres, ce qui est suffisant pour répondre aux normes de rayonnement électromagnétique de la FCC, de sorte que les concepteurs n'ont pas à s'inquiéter trop de la compatibilité électromagnétique résultant d'un couplage insuffisant de la ligne différentielle.

4. Diagramme des yeux

Dans les tests de signaux différentiels, nous rencontrons souvent un élément de test qui est un diagramme de l'œil, et de nombreux débutants en conception peuvent avoir entendu parler des tests de diagramme de l'œil. Mais il y a encore beaucoup de gens qui ne savent pas comment les diagrammes oculaires sont créés. Apprendre à voir les diagrammes oculaires est très utile pour vos propres tests et débogage. Le diagramme des yeux est présenté ci - dessous.

À chaque cycle d'horloge, il y aura un signal dans la transmission. Mais s'il s'agit d'un très long flux de bits (bits), il est difficile de déterminer si le signal répond à une spécification (Specification). Pour faciliter l'analyse, si tous les bits de signal peuvent former un diagramme de signal, vous pouvez regarder cela et superposer ces diagrammes pour voir s'ils répondent aux spécifications. C'est un diagramme d'oeil.

Comme le montre la figure ci - dessous, on suppose que tous les signaux sont déclenchés sur le front montant de l'horloge. Les formes d'onde de tous les signaux de données sont ensuite extraites et superposées en fonction du front montant. Chacune de ces formes d'onde est appelée symple. Comme le montre la figure (une seule forme d'onde est retirée de l'image pour que le lecteur puisse la voir clairement), cela forme la première moitié du diagramme de l'œil. Ensuite, en les retirant et en les empilant les uns sur les autres en fonction du bord descendant, vous pouvez former la seconde moitié du diagramme de l'œil. Dans le même temps, les formes d'onde de signal de niveau haut ou bas forment le haut et le bas du diagramme de l'œil. Cela forme un diagramme oculaire standard (illustré ci - dessous). Ensuite, tout ce que vous avez à faire est de le définir dans un diagramme de l'œil en fonction des spécifications du signal.

Bien sûr, la figure ci - dessous montre également Clk, le signal différentiel série réel ne peut pas détecter Clock sur la ligne de signal.

Prenons un exemple. Du diagramme de l'œil, la qualité du signal est très mauvaise. En correspondance avec son symple, on voit que la qualité du signal est très mauvaise. Les bords de montée et de descente sont trop lents, la cohérence est trop faible, le High Level du signal n'est pas suffisant et le skew est trop grand.

5. Mesure du signal différentiel.

Connexions d'entrée en général, l'interconnexion entre l'Amplificateur différentiel ou la sonde et la source de signal est la source d'erreur la plus importante. Afin de maintenir la correspondance d'entrée, les deux canaux doivent être aussi identiques que possible. Tout câblage des deux bornes d'entrée doit avoir la même longueur. Si vous utilisez une sonde, son modèle et sa longueur doivent également être identiques. Lors de la mesure de signaux basse fréquence à haute tension de mode commun, évitez d'utiliser des sondes à atténuation. A gain élevé, de telles sondes ne peuvent tout simplement pas être utilisées car il n'est pas possible d'équilibrer précisément leur atténuation. Lorsque l'atténuation est requise pour les applications haute tension ou haute fréquence, une sonde passive spéciale spécialement conçue pour les amplificateurs différentiels doit être utilisée. Une telle sonde dispose d'un dispositif qui permet de régler avec précision l'atténuation DC et la compensation AC. Pour des performances optimales, chaque amplificateur particulier doit avoir un ensemble de sondes dédiées et l'amplificateur doit être calibré selon les procédures fournies avec cet ensemble de sondes.

Une méthode courante consiste à tordre les câbles + et d'entrée par paires. Cela réduit la possibilité de capter des interférences de fréquence de ligne et d'autres bruits. Si vous souhaitez prendre un diagramme de l'œil, vous devriez consulter le fabricant de l'instrument pour obtenir les derniers logiciels et appareils. En règle générale, cet ensemble de logiciels et d'appareils sont facturés séparément