정밀 PCB 제조, 고주파 PCB, 고속 PCB, 표준 PCB, 다중 계층 PCB 및 PCB 조립.
최근 몇 년 동안 속도 요구 사항이 빠르게 증가함에 따라 새로운 버스 프로토콜은 계속 더 높은 속도를 제시합니다.기존의 버스 프로토콜은 이미 요구를 만족시킬 수 없다.직렬 버스는 간섭에 강하고 신호선이 적으며 속도가 빠른 등의 장점으로 많은 설계자들의 사랑을 받고 있다.직렬 버스, 특히 차등 신호의 방식이 가장 많다.그래서 이 글에서 저는 차분한 신호선의 디자인을 정리하고 여러분과 토론을 했습니다.
1. 차분 신호선의 원리, 장단점
차등 신호 (Differential signal, 차등 신호) 는 고속 회로 설계에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.회로에서 가장 중요한 신호는 일반적으로 차동 구조로 설계됩니다.무엇이 그렇게 인기가 많습니까?PCB 설계에서 우수한 성능을 보장하려면 어떻게 해야 합니까?이 두 가지 문제가 있으면, 우리는 다음 부분의 토론에 들어간다.차동 신호란 무엇입니까?문외한의 말을 빌리자면, 구동단은 두 개의 동일하고 반상적인 신호를 보내고, 수신단은 두 전압 사이의 차이를 비교하여 논리적 상태"0"또는"1"을 판단한다.차분 신호를 탑재한 한 쌍의 흔적선을 차분 흔적선이라고 한다.
일반 단일 신호 흔적선에 비해 차분 신호는 다음과 같은 세 가지 측면에서 가장 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다.
a. 방해에 강하다. 왜냐하면 두 차분 흔적선 사이의 결합이 매우 좋기 때문이다.외부로부터의 소음교란이 있을 때 그들은 거의 동시에 두 선로에 결합되며 수신단은 두 신호간의 차이에만 관심을 돌린다.따라서 외부 공통 모드 노이즈를 완전히 제거할 수 있습니다.
b. EMI를 효과적으로 억제할 수 있다.같은 이유로 두 신호의 극성이 상반되기 때문에 그들이 방사하는 전자장은 서로 상쇄할 수 있다.그림에서 볼 수 있듯이 AA'의 전류는 오른쪽에서 왼쪽으로, BB'의 현재 전류는 왼쪽에서 왼쪽으로 흐릅니다.네, 그리고 오른손 나선의 법칙에 따라 자기력선은 서로 상쇄됩니다.결합이 긴밀할수록 서로 상쇄하는 자력선이 많아진다.외부로 방출되는 전자에너지가 적을수록
c. 정시 위치가 정확하다.차분 신호의 스위치 변화는 두 신호의 교차점에 있기 때문에 일반적인 단일 신호와 달리 고역치 전압과 저역치 전압에 의존하여 결정되기 때문에 공정과 온도의 영향을 비교적 적게 받기 때문에 시차상의 오차를 줄일 수 있다.,그러나 저폭 신호 회로에도 더 적합하다.현재 유행하는 LVDS(저압차분신호)는 이런 소폭차분신호 기술을 말한다.
2. 차분 신호 예: LVDS
LVDS(Low Voltage Differential Signaling, 저압 차동 신호)는 차동 PCB 케이블 쌍 또는 균형 케이블에서 수백 Mbps의 속도로 신호를 전송하고 낮은 소음과 낮은 전력 소비를 위해 저전압 폭과 저전류 구동 출력을 구현하는 저진폭 전류형 차동 신호 기술이다.LVDS 드라이브는 차선 쌍을 제어하는 전류 소스로 구성됩니다.전류는 보통 3.5mA)입니다. LVDS 수신기는 매우 높은 입력 임피던스를 가지고 있기 때문에 드라이브에서 출력되는 대부분의 전류 흐름은 100°의 저항과 일치하여 수신기에 연결됩니다.입력단에는 약 350mA의 전압이 발생합니다.드라이브가 뒤집히면 저항기를 통과하는 전류의 방향이 변경되어 유효한 논리 "1" 및 논리 "0" 상태가 생성됩니다.저진폭 구동 신호는 고속 조작을 실현하고 전력 소비량을 낮췄으며, 차분 신호는 적당한 소음 여유를 갖춘 저전압 진폭을 제공하여 전력 소비량을 크게 낮췄다.전력이 크게 감소하여 단일 집적 회로에 여러 인터페이스 드라이브와 수신기를 통합할 수 있습니다.이를 통해 PCB 보드의 효율성을 높이고 비용을 절감할 수 있습니다.
사용하는 LVDS 전송 매체가 PCB 케이블 쌍이든 케이블이든 모두 신호가 매체 끝에서 반사되는 것을 방지하는 동시에 전자기 간섭을 줄이는 조치를 취해야 한다.LVDS에는 미디어와 일치하는 터미널 저항기(100±20섬)가 필요합니다.이 저항기는 순환 전류 신호를 종료하고 가능한 한 수신기의 입력에 접근해야 한다.LVDS 드라이브는 10m 이상의 거리에서 155.5Mbps 이상의 속도로 트윈치를 구동할 수 있습니다.실제 속도 제한은 다음과 같습니다.TTL 데이터가 드라이브로 전송되는 속도2. 미디어의 대역폭 성능
일반적으로 드라이브 측면에서는 다중 소켓, 수신기 측면에서는 다중 소켓 분해기를 사용하여 여러 TTL 채널과 LVDS 채널의 다중 소켓 변환을 수행하여 신호 속도를 높이고 전력 소비량을 줄입니다.또한 전송 미디어와 인터페이스의 수를 줄여 디바이스의 복잡성을 줄입니다.
LVDS 수신기는 드라이브와 수신기 사이의 최소 ± 1V의 접지 전압 변화를 견딜 수 있습니다.LVDS 드라이브의 일반적인 오프셋 전압은 +1.2V, 즉 접지 전압 변화, 드라이브 오프셋 전압 및 가벼운 결합 노이즈의 합계이기 때문에 수신기의 입력은 수신기의 접지에 대한 공통 모드 전압입니다.공통 범위: +0.2Vï½+2.2V. 권장 수신기의 입력 전압 범위는 0Vï½+2.4V입니다.
3.차분 신호 연결 요구:
PCB 엔지니어의 경우 분산 케이블의 이러한 이점을 실제 경로설정에서 최대한 활용할 수 있도록 보장하는 방법에 관심이 있습니다.아마도 Layout을 접촉한 사람들은 모두 차분 연결의 일반적인 요구를 이해할 것이다. 즉 차분 쌍의 연결은 두 가지 주의해야 할 점이 있다.하나는 두 컨덕터의 길이가 가능한 한 길어야 한다는 것이고, 같은 길이는 두 차동 신호의 타이밍을 확보하기 위한 것이다.반대 극성을 유지하고 공모 컴포넌트를 줄입니다.다른 하나는 두 컨덕터 사이의 거리 (이 거리는 차동 임피던스에 의해 결정됨) 가 일정해야 한다는 것입니다. 즉, 평행을 유지해야 합니다.같은 레이어에서 두 컨덕터가 나란히 실행되는 두 가지 평행 방식과 두 컨덕터가 위 아래 (위 아래) 의 두 인접 레이어에서 실행되는 두 가지 방법이 있습니다.일반적으로 전자는 더 많은 병행 실현이 있다.
등거리는 주로 둘 사이의 차분 임피던스를 동일하게 확보하고 반사를 줄이기 위한 것이다.차분 쌍의 접선 방법은 현지 접근과 평행에 적합해야 한다.적당한 접근도란 거리가 차분 임피던스의 값에 영향을 미치기 때문이며, 차분 임피던스는 차분 쌍을 설계하는 중요한 매개변수이다.병렬성의 필요성도 차분 임피던스의 일관성을 유지하기 위한 것이다.만약 두 선로가 갑자기 원근하면 차분 임피던스가 일치하지 않아 신호의 완전성과 시차 지연에 영향을 줄 것이다.
다음은 차동 송전선로 모형이다
분석을 용이하게 하기 위해 차분선 쌍은 보통 기형과 짝형 임피던스 및 지연에 따라 설명되며 이러한 차분형과 공통형에 대응하는 부분은 밀접하게 관련되어 있으므로 등식 1을 통해 계산할 수 있습니다.
여기 Ctot = Cself + Cm. Cself는 선과 땅 사이의 용량이고 Cm은 두 선 사이의 용량입니다.Lself와 Lm은 각각 한 노선의 자감과 두 노선 사이의 상호감이다.
차분 임피던스는 두 개의 차분 제어 컨덕터 사이에서 측정된 임피던스로 정의됩니다.(차분 구동이란 두 신호가 완전히 같지만 극성이 상반되는 것을 말한다.)차분 임피던스는 기모 임피던스입니다.기모 임피던스란 두 개의 컨덕터가 차동 제어될 때 차동 쌍의 중간 전송 컨덕터에 대한 임피던스입니다. [3]다이내믹 임피던스는 두 컨덕터가 단일 다이내믹 신호에 의해 접지를 제어할 때 중간 두 컨덕터에 대한 차등 임피던스입니다.
등식 1을 사용하여 내보내기: 차동 임피던스
공통 모드 임피던스
그러나 이 모든 규칙은 기계적으로 적용되는 것이 아니며, 많은 엔지니어들은 여전히 고속 차동 신호 전송의 본질을 이해하지 못하는 것 같습니다.다음은 PCB 차분 신호 설계에서 흔히 볼 수 있는 몇 가지 오해를 중점적으로 소개한다.
오해 1: 사람들은 차분 신호가 지평면을 귀환 경로로 사용하지 않거나 차분 흔적선이 서로에게 귀환 경로를 제공할 필요가 없다고 생각한다.이러한 오해의 원인은 그들이 표면적인 현상에 현혹되거나 고속 신호 전송의 메커니즘이 깊지 않기 때문이다.차등 회로는 전원과 접지 평면에 존재할 수 있는 유사한 접지 반등 및 기타 소음 신호에 민감하지 않지만.지면의 부분 반환 제거는 차동 회로가 신호 반환 경로로 참조 평면을 사용하지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다.사실상 신호반환분석에서 차분포선과 일반단단배선의 기리는 같다. 즉 고주파신호는 늘 전감이 가장 작은 회로를 따라 환류하는데 가장 큰 차이점은 차분선이 지와의 결합외에 또 상호결합을 갖고있다는것이다.어떤 결합이 강한지, 어떤 결합이 주요 반환 경로가 되는지.
PCB 회로 설계에서 차분 흔적선 사이의 결합은 일반적으로 매우 작으며, 일반적으로 결합도의 10-20% 만을 차지하며, 더 많은 것은 대지에 대한 결합이기 때문에 차분 궤적의 주요 반환 경로는 여전히 접지 평면에 존재한다.로컬 평면에 불연속성이 있는 경우 차동 경로 간의 결합은 참조 평면이 없는 영역에서 주 반환 경로를 제공합니다.참조 평면의 불연속성이 차동 흔적선에 미치는 영향은 일반 단일 흔적선만큼 심각하지 않지만 여전히 차동 신호의 품질을 낮추고 EMI를 증가시킬 수 있으므로 가능한 한 피해야합니다.일부 설계자들은 차분 흔적 오프라인의 참조 평면을 제거하여 차분 전송 중의 일부 공통 모드 신호를 억제할 수 있다고 생각한다.그러나 이런 방법은 이론적으로 바람직하지 않다.임피던스는 어떻게 제어합니까?공통 모드 신호에 접지 임피던스 회로를 제공하지 않으면 EMI 방사선이 불가피하게 발생합니다.이런 방법은 폐단이 이익보다 크다.
따라서 PCB 접지 평면의 반환 경로를 넓고 짧게 유지합니다.가능한 한 고립된 섬 (인접 전원 공급 장치 또는 접지층의 분리 영역을 뛰어넘지 마십시오.) 예를 들어, 마더보드 설계의 USB, SATA 및 PCI-EXPRESS는 고립된 섬을 넘지 않는 것이 좋습니다.이 신호에 완전한 접지 평면 또는 전원 평면이 있는지 확인합니다.
오해 2: 사람들은 회선 길이와 일치하는 것보다 동일한 간격을 유지하는 것이 더 중요하다고 생각합니다.실제 PCB 레이아웃에서는 차등 설계의 요구 사항을 동시에 충족할 수 없는 경우가 많습니다.핀의 분포, 오버홀 및 경로설정 공간 등의 요소로 인해 적절한 권선을 통해 선로 길이 일치를 달성해야 하지만 그 결과 차등 쌍의 일부 영역은 평행할 수 없어야 합니다.사실 간격은 같지 않다.영향이 적다.이에 비해 선로의 길이가 맞지 않는 것은 시퀀스에 미치는 영향이 훨씬 크다.이론적 분석에 의하면 간격이 일치하지 않으면 차분 임피던스에 변화가 생기지만 차분대 간의 결합 자체가 현저하지 않기 때문에 임피던스 변화 범위도 매우 작고 보통 10% 이내로 한 번만 통과하는 것과 같다. 빈틈으로 인한 반사는 신호 전송에 현저한 영향을 미치지 않는다.일단 선로의 길이가 일치하지 않으면 정시 오프셋을 제외하고 공모분량이 차분신호에 도입되는데 이는 신호의 질을 낮추고 EMI를 증가시킨다.
PCB 차분 흔적선 설계에서 가장 중요한 규칙은 일치선의 길이이며, 다른 규칙은 설계 요구와 실제 응용에 따라 유연하게 처리할 수 있다고 말할 수 있다.또한 임피던스 정합을 보상하기 위해 수신단의 차등선 쌍 사이에 정합 저항을 추가할 수 있습니다.이 값은 차등 임피던스 값과 같아야 합니다.이렇게 하면 신호의 질이 더욱 좋아질 것이다.
따라서 다음 두 가지를 권장합니다.
(A) 단자 저항을 사용하여 차동 전송선과 최대 일치를 실현한다. 저항값은 보통 90~130 사이이다. 시스템도 이 단자 저항을 사용하여 정상적으로 작동하는 차동 전압을 생성해야 한다.
(B) 차선에는 정밀도가 1~2%인 표면에 저항기를 설치하는 것이 좋다.필요한 경우 공통 모드를 필터링하기 위해 중간 접지 콘덴서 하나와 함께 저항이 50 오메가인 두 개의 저항기를 사용할 수 있습니다.소음
일반적으로 차분 신호의 CLOCK 등의 일치 요구 사항은 +/-10mils 이내입니다.
오해 3: 차속기 연결이 가깝다고 생각합니다.차분적선의 접근을 유지하는것은 그들의 결합을 증강하기 위해서이다. 이는 소음에 대한 면역력을 높일수 있을뿐만아니라 자기장의 상반극성을 충분히 리용하여 외계에 대한 전자기교란을 상쇄할수 있다.이 방법은 대부분의 경우 매우 유용하지만 절대적인 것은 아닙니다.외부 간섭을 완전히 차단할 수 있다면 강한 결합을 사용하여 간섭에 저항할 필요가 없습니다.그리고 EMI를 억제하는 목적.우리는 어떻게 차분 흔적선의 양호한 격리와 차단을 확보합니까?다른 신호 흔적선과의 간격을 늘리는 것은 가장 기본적인 방법 중의 하나이다.전자장의 에너지는 거리의 제곱에 따라 감소한다.일반적으로 행 간격이 선 너비의 4배를 초과하면 간섭이 매우 미약합니다.무시할 수 있습니다.이밖에 접지평면의 격리도 아주 좋은 차페역할을 할수 있다.이 구조는 고주파 (10G 이상) IC 패키지 PCB의 설계에 자주 사용됩니다.CPW 구조로 불리며 엄격한 차분 임피던스를 보장합니다.제어(2Z0).
차동 흔적 선은 다른 신호 계층에서도 작동 할 수 있지만 일반적으로 다른 계층에서 발생하는 임피던스와 오버홀 차이로 인해 차동 모드 전송의 효과가 손상되고 공통 모드 노이즈가 도입되기 때문에 이러한 방법을 사용하는 것이 권장되지 않습니다.또한 인접한 두 층이 긴밀하게 결합되지 않으면 차분 흔적선의 소음 저항 능력이 떨어지지만 주변 흔적선과 적당한 거리를 유지할 수 있다면 교란은 문제가 되지 않는다.EMI는 일반 주파수 (기가헤르츠보다 낮음) 에서 심각한 문제가 되지 않을 것이다.실험에 따르면 차분적선으로부터 500밀이의 거리에서 복사에네르기의 감쇠는 3메터의 거리에서 60dB에 달했는데 이는 FCC 전자기복사표준을 만족시키기에 충분하므로 설계자는 차분선로의 결합부족으로 인한 전자기호환성을 지나치게 걱정할 필요가 없다.
4.아이맵
차분 신호의 테스트에서, 우리는 종종 아이맵이라는 테스트 항목을 만나게 되는데, 많은 설계 초보자들이 아이맵 테스트를 들어 본 적이 있을 것이다.그러나 여전히 많은 사람들이 눈맵이 어떻게 생겼는지 모른다.아이맵을 보는 것을 배우는 것은 자신의 테스트와 디버깅에 매우 유용합니다.다음은 아이맵입니다.
각 클럭 주기마다 신호가 전송됩니다.그러나 매우 긴 비트 스트림 (비트) 인 경우 신호가 사양 (사양) 을 준수하는지 확인하기가 어렵습니다.분석에 편리하도록 모든 신호 위치가 신호도를 형성할 수 있다면 이것을 보고 이 그림들을 겹쳐서 규범에 부합하는지 볼 수 있다.이것은 눈맵입니다.
다음 그림에서 볼 수 있듯이 모든 신호가 시계의 상승에서 트리거된다고 가정합니다.그런 다음 상승 가장자리에 따라 모든 데이터 신호의 파형을 추출하여 겹칩니다.이러한 각 파형을 SYMPLE이라고 합니다.그림과 같이 (사진에서 하나의 파형만 꺼내 독자가 똑똑히 볼 수 있도록 함) 이것은 눈그림의 앞부분을 형성한다.그리고 내려가는 가장자리에 따라 그것들을 꺼내 겹쳐 놓으면 아이맵의 후반부를 형성할 수 있다.이와 동시에 고전평이나 저전평신호파형은 눈그림의 상단과 하단을 형성한다.이것은 표준 아이맵을 형성합니다 (아래 참조).그리고 당신이 해야 할 일은 신호 규범에 따라 아이맵에서 그것을 정의하는 것이다.
물론 아래 그림도 CLK를 보여주고있는데 실제 직렬차분신호는 신호선의 CLOCK를 감지할수 없다.
예를 들어 보겠습니다.아이맵으로 볼 때 신호의 질이 매우 나쁘다.SYMPLE에 대응하면 신호 품질이 매우 떨어지는 것을 알 수 있습니다.상승 및 하강 가장자리가 너무 느리고 일관성이 너무 떨어지며 신호의 HIGH LEVEL이 부족하고 SKEW가 너무 큽니다.
5. 차분 신호의 측정.
입력 연결은 일반적으로 차분 증폭기나 프로브와 신호원 간의 상호 연결이 가장 큰 오차원이다.입력 일치를 유지하기 위해 두 채널은 가능한 한 동일해야 합니다.두 입력 단자의 모든 접선은 길이가 같아야 합니다.프로브를 사용하는 경우 모델과 길이도 같아야 합니다.고공모 전압을 가진 저주파 신호를 측정할 때 감쇠된 프로브를 사용하지 마십시오.이 프로브는 감쇠의 균형을 정확하게 맞출 수 없기 때문에 높은 이득 아래서는 전혀 사용할 수 없다.고압 또는 고주파 응용이 감쇠해야 할 경우 차분 증폭기를 위해 특별히 설계된 특수 무원 프로브를 사용해야 한다.이 프로브에는 직류 감쇠와 교류 보상을 정확하게 조절할 수 있는 장치가 있다.최상의 성능을 얻기 위해서는 각 특정 증폭기에 전용 프로브가 있어야 하며, 증폭기는 이 프로브에 첨부된 프로그램에 따라 교정해야 한다.
일반적인 방법은 케이블을 쌍으로 비틀고 가져오는 것입니다.이것은 선택 회로의 주파수 간섭과 기타 소음의 가능성을 감소시킨다.아이맵을 찍으려면 최신 소프트웨어와 고정 장치를 얻기 위해 기기 제조업체에 문의해야 한다.일반적으로 이 소프트웨어와 고정 장치는 별도로 요금이 부과됩니다.
