Technologie PCB - Erreurs dans la conception de signaux différentiels PCB

Signaux différentiels vs conception de PCB plusieurs erreurs courantes dans les signaux différentiels

Le signal différentiel 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 assurer 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:

1. Forte capacité anti - interférence, 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.

2. Peut inhiber EMI efficacement. Pour la même raison, les champs électromagnétiques qu'ils rayonnent peuvent s'annuler mutuellement en raison des polarités opposées des deux signaux. Plus le couplage est serré, moins l'énergie électromagnétique est libérée dans le monde extérieur.

3. 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, à la différence d'un signal simple ordinaire, et est donc moins influencée par le procédé et la température, et permet de 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.

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 quiconque a été en contact avec Layout comprendra l'exigence générale d'une ligne de distribution différentielle, c'est - à - dire « isométrique». Des longueurs égales pour assurer que les deux signaux différentiels conservent toujours des polarités opposées et pour réduire la composante de mode commun; Les distances égales sont principalement destinées à assurer la cohérence des impédances différentielles des deux et à réduire la réflexion. "Aussi près que possible" est parfois l'une des exigences du câblage différentiel. 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 communes 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 confondus avec des phénomènes de surface ou que les mécanismes de transmission de signaux à grande vitesse ne sont pas assez profonds. Les circuits différentiels sont insensibles aux rebonds de terre similaires et aux 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 est que les lignes différentielles ont un couplage mutuel en plus du couplage à la masse. Quel couplage est fort et quel couplage devient le chemin de retour principal. Dans une conception de carte PCB, le couplage entre les traces différentielles est généralement faible, ne représentant généralement que 10 à 20% du degré de couplage, et plus un couplage à la masse, de sorte que le chemin de retour principal des traces différentielles reste présent sur le plan de masse. Lorsqu'il y a discontinuité dans le plan de masse, le couplage entre les traces différentielles dans la zone sans plan de référence fournira une voie de retour principale, bien que la discontinuité dans le plan de référence n'ait pas d'effet sur les traces différentielles sur les traces simples d'extrémité, ce qui est grave, mais diminue néanmoins La qualité du signal différentiel et augmente l'EMI, Cela 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 provoquerait inévitablement un rayonnement EMI. Cette méthode fait plus de mal que de bien.

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. La règle la plus importante dans la conception des traces différentielles de PCB est la longueur de la ligne de correspondance. D'autres règles peuvent être traitées de manière flexible en fonction des exigences de conception et de l'application pratique.

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 généralement utilisée dans les conceptions 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 réduira la résistance des traces différentielles au bruit, mais la diaphonie ne sera 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 se soucier trop de la compatibilité électromagnétique résultant d'un couplage insuffisant de la ligne différentielle.