PCB Tecnico - fraintendimenti nella progettazione del segnale differenziale PCB

Segnale differenziale e PCB progettano diversi malintesi comuni nel 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:

1. 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.

2. Può efficacemente sopprimere l'IME. Per lo stesso motivo, a causa della polarità opposta dei due segnali, i campi elettromagnetici da essi irradiati possono annullarsi a vicenda. Più stretto è l'accoppiamento, meno energia elettromagnetica viene portata al mondo esterno.

3. Il posizionamento temporale è accurato. Poiché il cambiamento dell'interruttore del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, a differenza dei segnali monoterminale ordinari, che si basano sulle tensioni di soglia alte e basse per determinare, è meno influenzato dal processo e dalla temperatura e può ridurre l'errore nella temporizzazione., Ma anche più adatto per circuiti di segnale a bassa ampiezza. L'attuale popolare LVDS (bassa tensione differenTIal signaling) si riferisce a questa tecnologia del segnale differenziale di ampiezza ridotta.

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 "uguale lunghezza e uguale distanza". La lunghezza uguale è quella di garantire che i due segnali differenziali mantengano sempre polarità opposte e riducano la componente del modo comune; la distanza uguale è principalmente per garantire che le impedenze differenziali dei due siano coerenti e ridurre i riflessi. "Il più vicino possibile" è a volte uno dei requisiti del cablaggio differenziale. 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. I circuiti differenziali sono insensibili a rimbalzi simili al suolo e ad altri segnali di rumore che possono esistere sui piani di potenza e di 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 singolo 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 al suolo, la linea differenziale ha anche accoppiamento reciproco. Quale tipo di accoppiamento è forte e quale diventa il percorso principale di ritorno. Nella progettazione del circuito stampato, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo, 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 terra. Quando c'è una discontinuità nel piano di terra, l'accoppiamento tra le tracce differenziali nell'area senza piano di riferimento fornirà il percorso principale di ritorno, anche se la discontinuità del piano di riferimento non ha alcun impatto sulle tracce differenziali sulle tracce monoterminali ordinarie È grave, ma ridurrà comunque la qualità del segnale differenziale e aumenterà 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 in modalità comune causerà inevitabilmente radiazioni EMI. Questo approccio fa più male che bene.

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. La regola più importante nella progettazione delle tracce differenziali PCB è la lunghezza della linea corrispondente. Altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni reali.

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 distanza tra le 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 del PCB del pacchetto IC ad alta frequenza (sopra 10G). 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 dalla traccia differenziale ha raggiunto 60dB ad una distanza di 3 metri, che è sufficiente per soddisfare lo standard di radiazione elettromagnetica FCC, quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento differenziale della linea.