PCB Tecnico - Analisi e LAYOUT della linea di segnale differenziale

Con il rapido aumento dei requisiti di velocità negli ultimi anni, nuovi protocolli bus continuano a proporre velocità più elevate. Il protocollo bus tradizionale non può più soddisfare i requisiti. Il bus seriale è favorito da molti progettisti a causa della sua migliore anti-interferenza, meno linee di segnale e maggiore velocità. E il bus seriale è soprattutto il modo di segnale differenziale è il più. Quindi in questo articolo ho risolto alcune linee di segnale differenziale e discusso con tutti.

1. Il principio, i vantaggi e gli svantaggi delle linee di segnale differenziale

Il segnale differenziale (segnale differenziale) è sempre più ampiamente usato nella progettazione di circuiti ad alta velocità. Il segnale più critico nel circuito è spesso progettato con una struttura differenziale. Cosa lo rende così popolare? Come garantire le sue buone prestazioni nella progettazione PCB? Con queste due domande, passiamo alla prossima parte della discussione. Cos'è un segnale differenziale? In termini laici, l'estremità motrice invia due segnali uguali e invertiti, e l'estremità ricevente giudica lo stato logico "0" o "1" confrontando la differenza tra le due tensioni. La coppia di tracce che trasportano segnali differenziali è chiamata tracce differenziali.

Rispetto alle normali tracce di segnale monoterminale, i segnali differenziali presentano i vantaggi più evidenti nei seguenti tre aspetti:

a. Forte capacità anti-interferenza, perché l'accoppiamento tra le due tracce differenziali è molto buono. Quando c'è interferenza di rumore dall'esterno, sono quasi accoppiati alle due linee contemporaneamente, e l'estremità ricevente si preoccupa solo della differenza tra i due segnali. Pertanto, il rumore esterno in modalità comune può essere completamente cancellato.

b. Può sopprimere efficacemente l'IME. Per lo stesso motivo, a causa della polarità opposta dei due segnali, i campi elettromagnetici da essi irradiati possono annullarsi a vicenda. Come mostrato nella figura, la corrente in AA' è da destra a sinistra, e la corrente in BB' è da sinistra a sinistra. Bene, allora secondo la regola della spirale destra, le loro linee magnetiche di forza si annullano a vicenda. Più stretto è l'accoppiamento, più linee magnetiche di forza si annullano a vicenda. Meno energia elettromagnetica viene rilasciata al mondo esterno.

c. Il posizionamento temporale è accurato. Poiché il cambiamento dell'interruttore del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, a differenza del segnale monoterminale ordinario, che dipende dalle tensioni di soglia alte e basse da determinare, è meno influenzato dal processo e dalla temperatura, che possono ridurre l'errore nella temporizzazione., Ma anche più adatto per circuiti di segnale a bassa ampiezza. L'attuale LVDS popolare (segnalazione differenziale a bassa tensione) si riferisce a questa tecnologia di segnalazione differenziale di piccola ampiezza.

2. Un esempio di segnale differenziale: LVDS

LVDS (Low Voltage Differential Signaling) è una tecnologia di segnale differenziale di tipo corrente a bassa oscillazione, che consente di trasmettere i segnali su coppie di cavi differenziali PCB o cavi bilanciati ad una velocità di diverse centinaia di Mbps, e la sua ampiezza di bassa tensione e l'uscita di azionamento a bassa corrente sono realizzati al fine di ottenere basso rumore e basso consumo energetico. Il driver LVDS è costituito da una sorgente di corrente che guida una coppia di linee differenziali. Il ricevitore LVDS ha un'impedenza di ingresso molto elevata, quindi la maggior parte dell'uscita corrente dal driver passa attraverso una resistenza corrispondente di 100Ω‧ ed è collegato al ricevitore. Il terminale di ingresso genera una tensione di circa 350mA. Quando il driver gira, cambia la direzione della corrente che scorre attraverso la resistenza, producendo così validi stati logici "1" e logici "0". Il segnale di azionamento a bassa oscillazione realizza il funzionamento ad alta velocità e riduce il consumo energetico ed il segnale differenziale fornisce un'oscillazione a bassa tensione con margini di rumore appropriati e consumi energetici notevolmente ridotti. La notevole riduzione di potenza consente di integrare più driver di interfaccia e ricevitori in un unico circuito integrato. Questo migliora l'efficienza della scheda PCB e riduce il costo.

Indipendentemente dal fatto che il mezzo di trasmissione LVDS utilizzato sia una coppia di cavi PCB o un cavo, devono essere adottate misure per evitare che il segnale si rifletta sul terminale medio e ridurre contemporaneamente le interferenze elettromagnetiche. LVDS richiede l'uso di una resistenza di terminazione (100±20Ω) che corrisponde al mezzo. Questo resistore termina il segnale di corrente circolante e deve essere posizionato il più vicino possibile all'ingresso del ricevitore. Il driver LVDS può guidare coppia attorcigliata ad una velocità di oltre 155.5Mbps su una distanza di oltre 10m. Il limite effettivo della velocità è: 1. La velocità dei dati TTL inviati all'unità; 2. Le prestazioni della larghezza di banda del mezzo.

Di solito un multiplexer è utilizzato sul lato del conducente e un demultiplexer è utilizzato sul lato del ricevitore per implementare la conversione multiplexering di più canali TTL e un canale LVDS per aumentare la frequenza del segnale e ridurre il consumo energetico. E ridurre il mezzo di trasmissione e il numero di interfacce e ridurre la complessità delle apparecchiature.

Il ricevitore LVDS può sopportare almeno ±1V del cambio di tensione di terra tra il driver e il ricevitore. Poiché la tensione di bias tipica del driver LVDS è +1,2V, la somma del cambiamento di tensione di terra, la tensione di bias del driver e il rumore leggermente accoppiato, l'ingresso del ricevitore è una tensione di modalità comune rispetto al terreno del ricevitore. L'intervallo di modalità comune è: +0.2V～+2.2V. Si raccomanda che l'intervallo di tensione in ingresso del ricevitore sia: 0V～+2.4V.

3. Requisiti di cablaggio per segnali differenziali:

Per gli ingegneri PCB, la maggiore preoccupazione è come garantire che questi vantaggi del cablaggio differenziale possano essere pienamente utilizzati nel cablaggio effettivo. Forse chiunque sia stato in contatto con Layout capirà i requisiti generali del cablaggio differenziale, cioè ci sono due punti a cui prestare attenzione nel cablaggio delle coppie differenziali. Uno è che la lunghezza dei due fili dovrebbe essere il più lunga possibile, e la lunghezza uguale è quella di garantire la tempistica dei due segnali differenziali. Mantieni la polarità opposta e riduci il componente della modalità comune. L'altro è che la distanza tra i due fili (questa distanza è determinata dall'impedenza differenziale) deve essere mantenuta costante, cioè deve essere mantenuta parallela. Ci sono due modi paralleli, uno è che i due fili corrono sullo stesso lato-by-side, e l'altro è che i due fili corrono su due strati adiacenti sopra e sotto (sopra-sotto). Generalmente, il primo ha più implementazioni affiancate.

L'equidistanza è principalmente per garantire la stessa impedenza differenziale tra i due e ridurre la riflessione. Il metodo di cablaggio della coppia differenziale dovrebbe essere vicino e parallelo in modo appropriato. La cosiddetta prossimità appropriata è perché la distanza influenzerà il valore dell'impedenza differenziale, che è un parametro importante per la progettazione di coppie differenziali. La necessità di parallelismo è anche di mantenere la coerenza dell'impedenza differenziale. Se le due linee sono improvvisamente lontane e vicine, l'impedenza differenziale sarà incoerente, che influenzerà l'integrità del segnale e il ritardo di temporizzazione.

Di seguito è riportato il modello della linea di trasmissione differenziale

Per facilitare l'analisi, una coppia di linee differenziali è spesso descritta in termini di impedenza e ritardo in modo dispare e pari, e queste parti corrispondenti al suo modo differenziale e al modo comune sono strettamente correlate, quindi può essere calcolata dall'equazione 1.

Qui Ctot = Cself + Cm. Cself è la capacità tra una linea e terra, e Cm è la capacità tra due linee. Lself e Lm sono l'auto-induttanza di una linea e l'induttanza reciproca tra due linee, rispettivamente.

L'impedenza differenziale è definita come l'impedenza misurata tra due fili azionati differenzialmente. (La cosiddetta trasmissione differenziale significa quando due segnali sono esattamente gli stessi ma opposti in polarità). L'impedenza differenziale si riferisce all'impedenza in modalità dispara. La cosiddetta impedenza in modalità dispare si riferisce all'impedenza di un cavo di trasmissione in una coppia differenziale quando due fili sono guidati in modo differenziale [3]. L'impedenza in modalità uniforme si riferisce all'impedenza di due fili in una coppia differenziale quando entrambi i fili sono guidati da un singolo segnale in modalità comune a terra.

Utilizzando l'equazione 1, si può ricavare: impedenza differenziale

Impedenza in modalità comune

Ma tutte queste regole non sono usate per applicarsi meccanicamente e molti ingegneri sembrano ancora non capire l'essenza della trasmissione differenziale del segnale ad alta velocità. Quanto segue si concentra su diversi malintesi comuni nella progettazione del segnale differenziale PCB.

Miscomprensione 1: Si ritiene che il segnale differenziale non abbia bisogno di un piano di terra come percorso di ritorno, o che le tracce differenziali forniscano un percorso di ritorno l'uno per l'altro. La ragione di questo malinteso è che sono confusi da fenomeni superficiali, o il meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profondo. Anche se il circuito differenziale è insensibile a rimbalzi simili al suolo e altri segnali di rumore che possono esistere sui piani di potenza e terra. La cancellazione parziale del ritorno del piano di terra non significa che il circuito differenziale non utilizzi il piano di riferimento come percorso di ritorno del segnale. Infatti, nell'analisi del ritorno del segnale, il meccanismo del cablaggio differenziale e del cablaggio monoterminale ordinario è lo stesso, cioè i segnali ad alta frequenza sono sempre Reflow lungo il ciclo con la più piccola induttanza, la differenza più grande è che oltre all'accoppiamento a terra, la linea differenziale ha anche accoppiamento reciproco. Quale tipo di accoppiamento è forte, quale diventa il percorso principale di ritorno.

Nella progettazione di PCBcircuit, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo e spesso rappresenta solo il 10-20% del grado di accoppiamento, e di più è l'accoppiamento al suolo, quindi il percorso principale di ritorno della traccia differenziale esiste ancora sul piano di terra. Quando c'è una discontinuità nel piano di terra, l'accoppiamento tra le tracce differenziali fornirà il percorso principale di ritorno nell'area senza piano di riferimento. Anche se l'influenza della discontinuità del piano di riferimento sulla traccia differenziale non è così grave come quella della traccia singola ordinaria, ridurrà comunque la qualità del segnale differenziale e aumenterà l'EMI, che dovrebbe essere evitato il più possibile. Alcuni progettisti ritengono che il piano di riferimento sotto la traccia differenziale possa essere rimosso per sopprimere alcuni segnali di modo comune nella trasmissione differenziale. Tuttavia, questo approccio non è auspicabile in teoria. Come controllare l'impedenza? Non fornire un loop di impedenza di terra per il segnale di modalità comune causerà inevitabilmente radiazioni EMI. Questo approccio fa più male che bene.

Quindi mantenere il percorso di ritorno del piano di terra PCB ampio e breve. Per esempio, USB, SATA e PCI-EXPRESS nel design della scheda madre sono meglio non attraversare isole. Assicurarsi che vi sia un piano di terra completo o un piano di potenza sotto questi segnali.

Misunderstanding 2: Si ritiene che mantenere la spaziatura uguale sia più importante che abbinare la lunghezza della linea. Nel layout reale del PCB, spesso non è possibile soddisfare i requisiti della progettazione differenziale allo stesso tempo. A causa dell'esistenza di fattori quali la distribuzione dei pin, vias e lo spazio di cablaggio, lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea deve essere raggiunto attraverso un corretto avvolgimento, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. Infatti, la spaziatura è disuguale. L'impatto è minimo. In confronto, il disallineamento della lunghezza della linea ha un impatto molto maggiore sulla tempistica. Dall'analisi teorica, anche se la spaziatura incoerente causerà il cambiamento dell'impedenza differenziale, poiché l'accoppiamento tra la coppia differenziale stessa non è significativo, anche l'intervallo di variazione dell'impedenza è molto piccolo, solitamente entro il 10%, che è equivalente a un solo passaggio. La riflessione causata dal foro non avrà un impatto significativo sulla trasmissione del segnale. Una volta che la lunghezza della linea non corrisponde, oltre all'offset di temporizzazione, vengono introdotti nel segnale differenziale componenti di modalità comune, che riduce la qualità del segnale e aumenta l'EMI.

Si può dire che la regola più importante nella progettazione delle tracce differenziali PCB è la lunghezza della linea corrispondente e altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni effettive. Allo stesso tempo, per compensare la corrispondenza dell'impedenza, una resistenza corrispondente può essere aggiunta tra le coppie di linee differenziali all'estremità ricevente. Il suo valore dovrebbe essere uguale al valore dell'impedenza differenziale. In questo modo la qualità del segnale sarà migliore.

Pertanto, si raccomandano i seguenti due punti:

(A) Utilizzare la resistenza del terminale per raggiungere la corrispondenza massima alla linea di trasmissione differenziale, il valore di resistenza è generalmente compreso tra 90 ~ 130 Î ©, il sistema ha anche bisogno di questa resistenza del terminale per generare una tensione differenziale di lavoro normale;

(B) È meglio usare resistenze di montaggio superficiale con una precisione di 1-2% attraverso la linea differenziale. Se necessario, è possibile utilizzare due resistenze con una resistenza di 50Ω ciascuna e un condensatore è messo a terra nel mezzo per filtrare la modalità comune. Rumore.

Generalmente, i requisiti di corrispondenza per l'OROLOGIO del segnale differenziale e simili sono uguali a +/-10mils.

Misunderstanding 3: Pensate che il cablaggio differenziale deve essere molto vicino. Mantenere vicine le tracce differenziali non è altro che migliorare il loro accoppiamento, che può non solo migliorare l'immunità al rumore, ma anche fare pieno uso della polarità opposta del campo magnetico per compensare le interferenze elettromagnetiche al mondo esterno. Anche se questo approccio è molto vantaggioso nella maggior parte dei casi, non è assoluto. Se siamo in grado di garantire che siano completamente schermati da interferenze esterne, allora non abbiamo bisogno di utilizzare un forte accoppiamento per ottenere anti-interferenza. E lo scopo di sopprimere l'IME. Come possiamo garantire un buon isolamento e schermatura delle tracce differenziali? Aumentare la spaziatura con altre tracce di segnale è uno dei modi più basilari. L'energia del campo elettromagnetico diminuisce con il quadrato della distanza. Generalmente, quando la spaziatura delle linee supera 4 volte la larghezza della linea, l'interferenza tra di loro è estremamente debole. Può essere ignorato. Inoltre, l'isolamento dal piano di terra può anche svolgere un buon ruolo di schermatura. Questa struttura è spesso utilizzata nella progettazione di PCB ad alta frequenza (sopra 10G) IC pacchetto. È chiamato una struttura CPW, che può garantire una severa impedenza differenziale. Controllo (2Z0).

Le tracce differenziali possono anche funzionare in diversi livelli di segnale, ma questo metodo generalmente non è raccomandato, perché le differenze di impedenza e vias prodotte da diversi strati distruggeranno l'effetto della trasmissione in modo differenziale e introdurranno rumore in modo comune. Inoltre, se i due strati adiacenti non sono strettamente accoppiati, ridurrà la capacità della traccia differenziale di resistere al rumore, ma se è possibile mantenere una distanza adeguata dalle tracce circostanti, il crosstalk non è un problema. Alle frequenze generali (al di sotto di GHz), l'IME non sarà un problema serio. Gli esperimenti hanno dimostrato che l'attenuazione dell'energia irradiata ad una distanza di 500 mil dalle tracce differenziali ha raggiunto i 60 dB ad una distanza di 3 metri, che è sufficiente per soddisfare gli standard di radiazione elettromagnetica FCC, quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento differenziale linea.

4. Diagramma oculare

Nel test dei segnali differenziali, spesso incontriamo un elemento di prova è il diagramma oculare, e molti principianti di progettazione potrebbero aver sentito parlare del test del diagramma oculare. Ma ci sono ancora molti che non sanno come vengono i diagrammi oculari. Imparare a guardare il diagramma oculare è molto utile per i propri test e DEBUG. Quanto segue descrive il diagramma oculare.

In ogni ciclo di clock ci sarà un segnale nella trasmissione. Ma se si tratta di un flusso di bit molto lungo (bit), allora è difficile determinare se il segnale soddisfa le specifiche (specifiche). Per facilitare l'analisi, se tutti i bit del segnale possono formare un grafico del segnale, allora è possibile guardare questo e sovrapporre questi grafici per vedere se soddisfano le specifiche. Questo è il diagramma oculare.

Come mostrato nella figura sottostante, si presume che tutti i segnali siano attivati sul bordo ascendente dell'orologio. Quindi le forme d'onda di tutti i segnali dati vengono estratte secondo il bordo ascendente e sovrapposte insieme. Ogni forma d'onda è chiamata SIMPLO. Come mostrato nell'immagine (solo una forma d'onda viene estratta sull'immagine in modo che il lettore possa vederla chiaramente), questo forma la prima metà del diagramma oculare. Quindi estrarli secondo il bordo di caduta e impilarli insieme, quindi si può formare la seconda metà del diagramma oculare. Allo stesso tempo, forme d'onda del segnale di alto livello o basso livello formano la parte superiore e inferiore del diagramma oculare. Questo forma un diagramma oculare standard (come mostrato di seguito). Quindi tutto quello che dovete fare è definirlo nel diagramma oculare secondo le specifiche del segnale.

Naturalmente, la figura seguente mostra anche CLK, il segnale differenziale seriale effettivo non può rilevare CLOCK sulla linea del segnale.

Facciamo un esempio. Dal diagramma oculare, la qualità del segnale è molto scarsa. Corrispondente al suo SIMPLO, si può vedere che la qualità del segnale è molto scarsa. I bordi in salita e in caduta sono troppo lenti, la consistenza è troppo scarsa, l'ALTO LIVELLO del segnale non è sufficiente e lo SKEW è troppo grande.

5. Misurazione del segnale differenziale.

In generale, l'interconnessione tra un amplificatore differenziale o sonda e una sorgente di segnale è la più grande fonte di errore. Per mantenere la corrispondenza degli input, i due canali dovrebbero essere il più possibile uguali. Qualsiasi cablaggio dei due terminali di ingresso dovrebbe avere la stessa lunghezza. Se si utilizza una sonda, anche il suo modello e lunghezza dovrebbero essere gli stessi. Quando si misurano segnali a bassa frequenza con alte tensioni in modalità comune, evitare di utilizzare sonde con attenuazione. A guadagni elevati, tali sonde non possono essere utilizzate affatto, perché è impossibile bilanciare con precisione la loro attenuazione. Quando le applicazioni ad alta tensione o ad alta frequenza richiedono attenuazione, dovrebbero essere utilizzate sonde passive speciali appositamente progettate per amplificatori differenziali. Questo tipo di sonda ha un dispositivo che può regolare con precisione l'attenuazione DC e la compensazione AC. Per ottenere le migliori prestazioni, ogni amplificatore specifico dovrebbe avere un set dedicato di sonde, e l'amplificatore dovrebbe essere calibrato secondo le procedure allegate a questo set di sonde.

Un metodo comune è quello di ruotare i cavi + e input in coppia. Ciò riduce la possibilità di rilevare interferenze di frequenza della linea e altri rumori. Se si desidera catturare il diagramma oculare, è necessario consultare il produttore dello strumento per ottenere il software e gli apparecchi più recenti. Generalmente, questo set di software e dispositivi sono caricati separatamente