PCB Tecnico - Vantaggi del cablaggio PCB nei circuiti stampati

Anche le coppie di segnali differenziali con cablaggio molto stretto saranno strettamente accoppiate tra loro. Questo accoppiamento reciproco ridurrà le emissioni EMI. Nel layout PCB, lo svantaggio principale delle linee di segnale differenziali è che aumentano l'area del PCB. Questo articolo introduce il circuito La strategia di layout del routing differenziale della linea di segnale è adottata nel processo di progettazione della scheda.

Come tutti sappiamo, il segnale ha la caratteristica di trasmettere lungo la linea di segnale o sotto la linea PCB. Anche se non abbiamo familiarità con la strategia di cablaggio monoterminale, il termine monoterminale distingue questa caratteristica di trasmissione del segnale dal modo differenziale e dai metodi di trasmissione del segnale in modalità comune. In futuro, gli ultimi due metodi di trasmissione del segnale sono di solito più complicati.

Modalità differenziale e comune

Il segnale in modalità differenziale viene trasmesso attraverso una coppia di linee di segnale. Una linea di segnale trasmette il segnale che di solito comprendiamo; l'altra linea di segnale trasmette un segnale di uguale valore ma di direzione opposta (almeno in teoria). Le modalità differenziali e single-end non sono molto diverse quando appaiono per la prima volta, perché tutti i segnali hanno loop.

Il segnale in modalità single-end viene solitamente restituito tramite un circuito a tensione zero (o chiamato terra). Ogni segnale nel segnale differenziale deve essere restituito attraverso il circuito di terra. Poiché ogni coppia di segnali è effettivamente uguale e invertita, i circuiti di ritorno semplicemente si annullano l'un l'altro, quindi non ci saranno componenti di ritorno del segnale differenziale sul circuito a tensione zero o a terra.

Modalità comune significa che il segnale appare su due linee di segnale di una coppia di linee di segnale (differenziali) o appare contemporaneamente sulla linea di segnale monoterminale e sulla massa. La comprensione di questo concetto non è intuitiva, perché è difficile immaginare come generare un tale segnale. Questo è principalmente perché di solito non generiamo segnali di modalità comune. La maggior parte dei segnali in modalità comune sono segnali di rumore generati nel circuito secondo condizioni ipotetiche o accoppiati da sorgenti di segnale adiacenti o esterne. I segnali in modalità comune sono quasi sempre "dannosi", e molte regole di progettazione sono progettate per impedire la comparsa di segnali in modalità comune.

Tracciamento delle linee di segnale differenziale

Di solito (con alcune eccezioni) i segnali differenziali sono anche segnali ad alta velocità, quindi le regole di progettazione ad alta velocità di solito si applicano all'instradamento dei segnali differenziali, specialmente quando si progettano linee di segnale come la linea di trasmissione 1. Ciò significa che dobbiamo progettare attentamente il cablaggio della linea del segnale per garantire che l'impedenza caratteristica della linea del segnale sia continua e costante lungo la linea del segnale.

Nel processo di layout e routing della coppia differenziale, speriamo che le due linee PCB nella coppia differenziale siano esattamente le stesse. Ciò significa che nelle applicazioni pratiche, si dovrebbe fare il massimo sforzo per garantire che le linee PCB nella coppia differenziale abbiano esattamente la stessa impedenza e la lunghezza del cablaggio sia esattamente la stessa. Le linee differenziali PCB sono solitamente instradate in coppia e la distanza tra di loro è mantenuta costante in qualsiasi posizione lungo la direzione della coppia di linee. In circostanze normali, il posizionamento e l'instradamento delle coppie differenziali sono sempre il più vicino possibile.

Nella progettazione PCB, i vantaggi dei segnali differenziali

I segnali single-end si riferiscono sempre a qualche tipo di livello di "riferimento". Questo livello di "riferimento" può essere una tensione positiva o di massa, la tensione di soglia di un dispositivo o un altro segnale altrove. D'altra parte, il segnale differenziale si riferisce sempre all'altro lato della coppia differenziale. In altre parole, se la tensione su una linea di segnale (+ segnale) è superiore alla tensione su un'altra linea di segnale (-segnale), allora possiamo ottenere uno stato logico; e se il primo è inferiore al secondo, allora possiamo ottenere un altro stato logico, vedere Figura 1.

I segnali differenziali presentano i seguenti vantaggi: 1. La tempistica è definita con precisione, perché l'intersezione della coppia di linee del segnale di controllo è più semplice del valore assoluto di tensione del segnale di controllo rispetto a un livello di riferimento. Questo è anche uno dei motivi per cui è necessario realizzare con precisione il cablaggio a pari lunghezza della coppia differenziale. Se il segnale non può raggiungere l'altra estremità della coppia differenziale allo stesso tempo, qualsiasi controllo di temporizzazione che la sorgente può fornire sarà notevolmente compromesso. Inoltre, se il segnale all'estremità opposta della linea differenziale non è uguale in senso stretto ma invertito, apparirà rumore in modalità comune, che causerà problemi nella sincronizzazione del segnale e EMI. 2. Poiché i segnali differenziali non si riferiscono a nessun segnale diverso dal loro e possono controllare più rigorosamente la tempistica dei punti di attraversamento del segnale, i circuiti differenziali possono solitamente funzionare a velocità più elevate rispetto ai circuiti di segnale single-end convenzionali.

Poiché il funzionamento del circuito differenziale dipende dalla differenza tra i segnali sulle due linee di segnale (i loro segnali sono uguali ma opposti), rispetto al rumore circostante, il segnale ottenuto è il doppio di qualsiasi segnale monoterminale. Pertanto, in tutte le altre condizioni, il segnale differenziale ha sempre un rapporto segnale-rumore più elevato e quindi fornisce prestazioni più elevate.

Il circuito differenziale è molto sensibile alla differenza tra i livelli di segnale sulla coppia differenziale. Ma rispetto ad alcuni altri riferimenti (soprattutto a terra), non sono sensibili al valore assoluto della tensione sulla linea differenziale. Relativamente parlando, i circuiti differenziali sono insensibili a problemi come rimbalzi di terra e altri segnali di rumore che possono esistere sui piani di potenza e di terra, mentre per i segnali in modalità comune, appariranno esattamente in ogni caso. Una linea di segnale.

I segnali differenziali hanno anche una certa immunità all'accoppiamento EMI e crosstalk tra i segnali. Se il cablaggio di una coppia di coppie di segnali differenziali è molto compatto, qualsiasi rumore accoppiato esternamente sarà accoppiato a ogni linea di segnale della coppia allo stesso grado. Pertanto, il rumore accoppiato diventa rumore di "modalità comune" e il circuito differenziale del segnale ha una perfetta immunità a questo segnale. Se la coppia di fili è attorcigliata insieme (come coppia attorcigliata), il cavo di segnale sarà più immune al rumore accoppiato. Poiché è impossibile ruotare facilmente i segnali differenziali sul PCB, è un ottimo modo per mettere il loro cablaggio il più vicino possibile nelle applicazioni pratiche.

Anche le coppie di segnali differenziali che sono instradate molto vicine l'una all'altra sono strettamente accoppiate l'una all'altra. Questo accoppiamento reciproco ridurrà le emissioni EMI, soprattutto se confrontato alle linee di segnale PCB monoterminale. Si può immaginare che la radiazione esterna di ogni linea di segnale nel segnale differenziale sia uguale in grandezza ma opposta in direzione, quindi si cancelleranno a vicenda, proprio come il segnale in una coppia contorta. Più vicini sono i segnali differenziali, più forte è l'accoppiamento tra di loro e minore è la radiazione EMI esterna.

Lo svantaggio principale del circuito differenziale è l'aggiunta di linee PCB. Pertanto, se i vantaggi dei segnali differenziali non possono essere utilizzati nel processo di applicazione, non vale la pena aumentare l'area PCB. Ma se c'è un importante miglioramento nelle prestazioni del circuito progettato, vale la pena il prezzo pagato per l'area di cablaggio aumentata.