Teknik PCB - Analisi dan LAYOUT garis isyarat berbeza

Dengan peningkatan pantas keperluan kelajuan dalam tahun-tahun terakhir, protokol bas baru terus melamar kelajuan yang lebih tinggi. Protokol bas tradisional tidak boleh lagi memenuhi keperluan. Bus berantai disukai oleh ramai desainer kerana anti-gangguan yang lebih baik, lebih sedikit garis isyarat, dan kelajuan yang lebih tinggi. Dan bas berantai adalah terutama cara isyarat perbezaan adalah yang paling. Jadi dalam artikel ini saya telah mengatur beberapa rancangan garis isyarat berbeza dan membincangkannya dengan semua orang.

1. Prinsip, keuntungan dan kelemahan garis isyarat berbeza

isyarat perbezaan (isyarat perbezaan) semakin luas digunakan dalam desain sirkuit kelajuan tinggi. Isyarat paling kritik dalam sirkuit sering dirancang dengan struktur perbezaan. Apa yang membuatnya begitu populer? Bagaimana untuk memastikan prestasi yang baik dalam rancangan PCB? Dengan dua soalan ini, kita teruskan ke bahagian seterusnya dalam perbincangan. Apa isyarat perbezaan? Dalam terma layman, hujung pemandu menghantar dua isyarat yang sama dan terbalik, dan akhir penerima menilai keadaan logik "0" atau "1" dengan membandingkan perbezaan antara kedua-dua tegangan. Pasangan jejak yang membawa isyarat perbezaan dipanggil jejak perbezaan.

Berbanding dengan jejak isyarat satu-akhir biasa, isyarat perbezaan mempunyai keuntungan yang paling jelas dalam tiga aspek berikut:

a. Kekuatan anti-gangguan yang kuat, kerana sambungan antara dua jejak perbezaan adalah sangat baik. Apabila terdapat gangguan bunyi dari luar, mereka hampir tersambung dengan dua garis pada masa yang sama, dan akhir penerima hanya peduli tentang perbezaan antara dua isyarat. Oleh itu, bunyi mod umum luaran boleh dibatalkan sepenuhnya.

b. Ia boleh menekan EMI secara efektif. Untuk sebab yang sama, disebabkan polaritas bertentangan dua isyarat, medan elektromagnetik yang direradiasi oleh mereka boleh membatalkan satu sama lain. Seperti yang dipaparkan dalam figur, semasa dalam AA 'adalah dari kanan ke kiri, dan semasa dalam BB' adalah dari kiri ke kiri. Betul, kemudian menurut peraturan spiral kanan, garis kuasa magnet mereka membatalkan satu sama lain. Semakin ketat sambungan, semakin garis kuasa magnetik membatalkan satu sama lain. Kekurangan tenaga elektromagnetik dilepaskan ke dunia luar.

c. Posisi masa adalah tepat. Kerana perubahan tukar isyarat perbezaan ditempatkan di persimpangan dua isyarat, tidak seperti isyarat satu-akhir biasa, yang bergantung pada tenaga ambang tinggi dan rendah untuk menentukan, ia kurang terkesan oleh proses dan suhu, yang boleh mengurangkan ralat dalam masa. Tapi juga lebih sesuai untuk sirkuit isyarat amplitud rendah. LVDS popular semasa (isyarat berbeza tegangan rendah) merujuk kepada teknologi pembezaan berbeza amplitud kecil ini.

2. Contoh isyarat perbezaan: LVDS

LVDS (Isyaratan Perbezaan Voltage rendah) adalah teknologi isyarat berbeza jenis semasa yang bergerak rendah, yang membolehkan isyarat dihantar pada pasangan wayar PCB berbeza atau kabel yang seimbang pada kadar beberapa ratus Mbps, dan amplitud tenaga rendah dan output pemacu semasa rendah diselesaikan untuk mencapai bunyi rendah dan konsumsi kuasa rendah. Pemacu LVDS terdiri dari sumber semasa yang memandu pasangan baris berbeza. Semasa biasanya 3.5mA). Penerima LVDS mempunyai impedance input yang sangat tinggi, jadi sebahagian besar output semasa oleh pemandu mengalir melalui resistensi yang sepadan 100Ω♧ dan disambung dengan penerima. Terminal input menghasilkan tekanan sekitar 350mA. Apabila pemacu berputar, ia mengubah arah semasa mengalir melalui penentang, sehingga menghasilkan keadaan logik "1" dan logik "0" yang sah. Isyarat pemacu swing rendah menyadari operasi kelajuan tinggi dan mengurangkan konsumsi kuasa, dan isyarat perbezaan menyediakan swing tenaga rendah dengan margin bunyi yang sesuai dan konsumsi kuasa yang sangat mengurangi. Pengurangan kuasa yang besar membenarkan pemacu antaramuka berbilang dan penerima untuk disertai dalam sirkuit terpasang tunggal. Ini meningkatkan efisiensi papan PCB dan mengurangkan biaya.

Walaupun media transmisi LVDS yang digunakan adalah pasangan wayar PCB atau kabel, tindakan mesti diambil untuk mencegah isyarat tersembunyi di terminal tengah dan mengurangkan gangguan elektromagnetik pada masa yang sama. LVDS memerlukan penggunaan penentang penghentian (100±20Ω) yang sepadan dengan medium. Penegang ini menghapuskan isyarat semasa yang berkeliaran dan patut ditempatkan sebanyak mungkin kepada input penerima. Pemacu LVDS boleh memandu pasangan berputar pada kelajuan lebih dari 155.5Mbps pada jarak lebih dari 10m. Had sebenar pada kelajuan adalah: 1. Kelajuan data TTL dihantar ke pemacu; 2. Performasi lebar band medium.

Biasanya multiplekser digunakan di sisi pemacu dan demultiplekser digunakan di sisi penerima untuk melaksanakan konversi multipleksing bagi saluran TTL berbilang dan satu saluran LVDS untuk meningkatkan kadar isyarat dan mengurangkan konsumsi kuasa. Dan mengurangi medium transmisi dan bilangan antaramuka, dan mengurangi kompleksiti peralatan.

Penerima LVDS boleh menahan sekurang-kurangnya ±1V perubahan tenaga tanah antara pemandu dan penerima. Oleh kerana ketegangan bias bias bias bagi pemacu LVDS ialah +1.2V, jumlah perubahan ketegangan tanah, ketegangan bias pemacu, dan bunyi yang tersambung ringan, input penerima adalah ketegangan mod-umum terhadap tanah penerima. Julat mod umum ialah: +0.2V～+2.2V. Disarankan julat tensi input penerima ialah: 0V～+2.4V.

3. Keperlukan kabel untuk isyarat berbeza:

Untuk jurutera PCB, yang paling bimbang adalah bagaimana untuk memastikan keuntungan ini kawat berbeza boleh digunakan sepenuhnya dalam kawat sebenar. Mungkin sesiapa yang telah berhubungan dengan Layout akan memahami keperluan umum kabel perbezaan, iaitu, ada dua titik untuk memperhatikan dalam kabel pasangan perbezaan. Satu ialah panjang dua wayar seharusnya sebanyak mungkin, dan panjang yang sama adalah untuk memastikan masa bagi dua isyarat perbezaan. Simpan polariti bertentangan dan kurangkan komponen mod biasa. Yang lain ialah jarak antara dua wayar (jarak ini ditentukan oleh impedance perbezaan) mesti kekal konstan, iaitu, ia mesti kekal selari. Ada dua cara selari, satu adalah bahawa dua wayar berjalan di sebelah-sebelah, dan yang lain adalah bahawa dua wayar berjalan di dua lapisan bersebelahan di atas dan di bawah (atas-bawah). Secara umum, yang pertama mempunyai lebih banyak implementasi sebelah-sebelah.

Keutamaan keseimbangan adalah untuk memastikan pengendalian perbezaan yang sama antara kedua-dua dan mengurangkan refleksi. Kaedah kabel pasangan perbezaan sepatutnya dekat dan selari dengan sesuai. Kedekatan yang dipanggil sesuai adalah kerana jarak akan mempengaruhi nilai impedance perbezaan, yang merupakan parameter penting untuk merancang pasangan perbezaan. Keperluan untuk paralelisme adalah juga untuk menjaga konsistensi impedance perbezaan. Jika kedua garis tiba-tiba jauh dan dekat, pengendalian perbezaan akan tidak konsisten, yang akan mempengaruhi integriti isyarat dan lambat masa.

Di bawah ialah model garis penghantaran berbeza

Untuk memudahkan analisis, pasangan garis perbezaan sering diterangkan dalam terma-mod pelik dan even-mode impedance dan lambat, dan bahagian-bahagian ini yang sepadan dengan mod perbezaannya dan mod umum berkaitan rapat, jadi ia boleh dihitung dengan persamaan 1.

Di sini Ctot = Cself + Cm. Cself adalah kapasitasi antara satu garis dan tanah, dan Cm adalah kapasitasi antara dua garis. Lself dan Lm adalah self-inductance satu garis dan mutual inductance antara dua garis, berdasarkan.

Impedansi berbeza ditakrif sebagai impedance diukur antara dua wayar dipandu berbeza. (The so-called differential drive means when two signals are exactly the same but opposite in polarity). Impedansi berbeza merujuk pada impedance mod pelik. Yang disebut impedance mod pelik merujuk kepada impedance wayar penghantaran dalam pasangan berbeza apabila dua wayar dipandu berbeza [3]. Bahkan impedance mod merujuk kepada impedance dua wayar dalam pasangan berbeza apabila kedua-dua wayar dipandu oleh satu isyarat mod-umum ke tanah.

Menggunakan Persamaan 1, ia boleh ditambah: impedance perbezaan

Impedasi mod umum

Tetapi semua peraturan ini tidak digunakan untuk melaksanakan secara mekanik, dan banyak jurutera seolah-olah masih tidak memahami inti penghantaran isyarat berbeza kelajuan tinggi. Berikut fokus pada beberapa kesalahpahaman umum dalam rancangan isyarat berbeza PCB.

Salah faham 1: Dipercayakan bahawa isyarat perbezaan tidak memerlukan pesawat tanah sebagai laluan kembali, atau bahawa jejak perbezaan menyediakan laluan kembali untuk satu sama lain. Alasan kesalahpahaman ini adalah bahawa mereka keliru oleh fenomena permukaan, atau mekanisme penghantaran isyarat kelajuan tinggi tidak cukup dalam. Walaupun litar perbezaan tidak sensitif kepada lompatan tanah yang sama dan isyarat bunyi lain yang mungkin wujud di atas pesawat kuasa dan tanah. Pembatalan bahagian kembalian pesawat tanah tidak bermakna litar perbezaan tidak menggunakan pesawat rujukan sebagai laluan kembalian isyarat. Sebenarnya, dalam analisis kembali isyarat, mekanisme kabel perbezaan dan kabel satu-akhir biasa adalah sama, iaitu, isyarat frekuensi tinggi sentiasa Reflow sepanjang gelung dengan induktan yang paling kecil, perbezaan terbesar adalah bahawa selain sambungan ke tanah, garis perbezaan juga mempunyai sambungan bersama. Yang jenis pasangan yang kuat, yang mana menjadi jalan kembali utama.

Dalam rancangan sirkuit PCB, sambungan antara jejak perbezaan biasanya kecil, dan sering hanya mengandungi 10-20% darjah sambungan, dan lebih adalah sambungan ke tanah, jadi laluan kembalian utama jejak perbezaan masih wujud di atas lapangan tanah. Apabila terdapat keterlaluan dalam pesawat tanah, sambungan antara jejak perbezaan akan menyediakan laluan pulang utama di kawasan tanpa pesawat rujukan. Walaupun pengaruh ketinggalan pesawat rujukan pada jejak perbezaan bukanlah sebanyak jejak satu-akhir biasa, ia masih akan mengurangi kualiti isyarat perbezaan dan meningkatkan EMI, yang seharusnya dihindari sebanyak yang mungkin. Beberapa desainer percaya bahawa pesawat rujukan dibawah jejak perbezaan boleh dibuang untuk menekan beberapa isyarat mod umum dalam transmisi perbezaan. Namun, pendekatan ini tidak diinginkan dalam teori. Bagaimana untuk mengawal impedance? Tidak menyediakan loop impedance tanah untuk isyarat mod umum akan secara mengelakkan menyebabkan radiasi EMI. Pendekatan ini lebih berbahaya daripada kebaikan.

Jadi pastikan pesawat tanah PCB kembali laluan lebar dan pendek. Cuba untuk tidak menyeberangi pulau (di seluruh kawasan terpisah bekalan tenaga atau lapisan tanah yang bersebelahan.) Contohnya, USB, SATA, dan PCI-EXPRESS dalam rancangan papan ibu lebih baik untuk tidak menyeberangi pulau. Pastikan ada pesawat tanah lengkap atau pesawat kuasa di bawah isyarat ini.

Salah faham 2: Dipercayakan bahawa menjaga ruang yang sama lebih penting daripada sepadan panjang baris. Dalam bentangan PCB sebenar, ia sering tidak mungkin untuk memenuhi keperluan desain perbezaan pada masa yang sama. Kerana wujud faktor seperti distribusi pin, vias, dan ruang kabel, tujuan persamaan panjang baris mesti dicapai melalui pembantaian yang betul, tetapi hasilnya mesti ialah beberapa kawasan pasangan perbezaan tidak boleh selari. Sebenarnya, jaraknya tidak sama. Kesan adalah minimal. Sebagai perbandingan, ketidakpadanan panjang garis mempunyai kesan yang lebih besar pada masa. Dari analisis teori, walaupun jarak yang tidak konsisten akan menyebabkan impedance perbezaan berubah, kerana sambungan antara pasangan perbezaan sendiri tidak signifikan, julat perubahan impedance juga sangat kecil, biasanya dalam 10%, yang hanya sama dengan satu laluan. Refleksi disebabkan oleh lubang tidak akan mempunyai kesan signifikan pada transmisi isyarat. Apabila panjang baris tidak sepadan, selain ofset masa, komponen mod biasa akan diperkenalkan ke dalam isyarat perbezaan, yang mengurangkan kualiti isyarat dan meningkatkan EMI.

Ia boleh dikatakan bahawa peraturan yang paling penting dalam rancangan jejak perbezaan PCB adalah panjang garis yang sepadan, dan peraturan lain boleh dikendalikan secara fleksibel mengikut keperluan rancangan dan aplikasi sebenar. Pada masa yang sama, untuk membalas persamaan impedance, perlawanan yang sepadan boleh ditambah diantara pasangan baris berbeza pada hujung penerima. Nilainya sepatutnya sama dengan nilai impedance perbezaan. Dengan cara ini kualiti isyarat akan lebih baik.

Oleh itu, dua titik berikut dicadangkan:

(A) Guna perlahan terminal untuk mencapai persamaan maksimum dengan garis pemindahan perbezaan, nilai perlahan adalah secara umum antara 90 ~ 130 Ω, sistem juga memerlukan perlahan terminal ini untuk menghasilkan voltaj perbezaan normal bekerja;

(B) Lebih baik menggunakan penentang lekapan permukaan dengan ketepatan 1-2% melalui garis perbezaan. Jika diperlukan, dua penentang dengan penolakan 50Ω masing-masing boleh digunakan, dan kondensator ditanda di tengah untuk menapis mod biasa. Bunyi.

Secara umum, keperluan yang sepadan untuk CLOCK isyarat perbezaan dan sebagainya sama dengan dalam +/-10mils.

Salah faham 3: fikir bahawa kawat perbezaan mesti sangat dekat. Menjaga jejak perbezaan dekat tidak lebih dari untuk meningkatkan sambungan mereka, yang tidak hanya boleh meningkatkan kekebalan terhadap bunyi, tetapi juga membuat penggunaan penuh polariti bertentangan medan magnetik untuk ofset gangguan elektromagnetik ke dunia luar. Walaupun pendekatan ini sangat berguna dalam kebanyakan kes, ia tidak mutlak. Jika kita boleh memastikan bahawa mereka sepenuhnya dilindungi daripada gangguan luar, maka kita tidak perlu menggunakan pasangan kuat untuk mencapai anti gangguan. Dan tujuan untuk menekan EMI. Bagaimana kita boleh memastikan pengasingan yang baik dan perlindungan jejak perbezaan? Meningkatkan jarak dengan jejak isyarat lain adalah salah satu cara yang paling asas. Energi medan elektromagnetik menurun dengan kuasa dua jarak. Secara umum, apabila jarak garis melebihi 4 kali lebar garis, gangguan diantaranya sangat lemah. Boleh diabaikan. Selain itu, pengasingan oleh pesawat tanah juga boleh bermain peran perlindungan yang baik. Struktur ini sering digunakan dalam desain PCB pakej IC frekuensi tinggi (di atas 10G). Ia dipanggil struktur CPW, yang boleh memastikan penghalang perbezaan ketat. Kawalan (2Z0).

Jejak berbeza juga boleh berjalan dalam lapisan isyarat berbeza, tetapi kaedah ini biasanya tidak direkomendasikan, kerana perbezaan dalam impedance dan vias yang dihasilkan oleh lapisan berbeza akan menghancurkan kesan penghantaran mod berbeza dan memperkenalkan bunyi mod biasa. Selain itu, jika dua lapisan bersebelahan tidak terikat dengan ketat, ia akan mengurangkan kemampuan jejak perbezaan untuk menentang bunyi, tetapi jika anda boleh menyimpan jarak yang betul dari jejak sekeliling, percakapan salib bukan masalah. Pada frekuensi umum (di bawah GHz), EMI tidak akan menjadi masalah serius. Eksperimen telah menunjukkan bahawa penindasan tenaga radiasi pada jarak 500 mils dari jejak perbezaan telah mencapai 60 dB pada jarak 3 meter, yang cukup untuk memenuhi standar radiasi elektromagnetik FCC, jadi perancang tidak perlu bimbang terlalu banyak tentang ketidakkompatibiliti elektromagnetik disebabkan oleh pasangan garis perbezaan yang tidak cukup.

4. Diagram mata

Dalam ujian isyarat perbezaan, kita sering bertemu item ujian adalah diagram mata, dan ramai pemula rancangan mungkin telah mendengar ujian diagram mata. Tetapi masih banyak yang tidak tahu bagaimana diagram mata berasal. Belajar untuk melihat diagram mata sangat berguna untuk ujian dan DEBUG anda sendiri. Berikut menggambarkan diagram mata.

Dalam setiap siklus jam akan ada isyarat dalam transmisi. Tetapi jika ia adalah strim bit yang sangat panjang (bit), maka ia sukar untuk menentukan sama ada isyarat memenuhi spesifikasi (spesifikasi). Untuk memudahkan analisis, jika semua bit isyarat boleh membentuk graf isyarat, maka and a boleh melihat ini dan menggantikan graf ini untuk melihat jika ia memenuhi spesifikasi. Ini adalah diagram mata.

Seperti yang dipaparkan dalam figur di bawah, ia dianggap bahawa semua isyarat dipicu pada pinggir naik jam. Kemudian bentuk gelombang semua isyarat data dibuang mengikut pinggir naik dan ditolak bersama-sama. Setiap bentuk gelombang seperti ini dipanggil SYMPLE. Seperti yang dipaparkan dalam gambar (hanya satu bentuk gelombang dibuang pada gambar supaya pembaca dapat melihatnya dengan jelas), ini membentuk separuh pertama diagram mata. Kemudian keluarkan mereka mengikut pinggir jatuh dan tumpukan mereka bersama-sama, kemudian separuh kedua diagram mata boleh membentuk. Pada masa yang sama, bentuk gelombang isyarat tahap tinggi atau tahap rendah membentuk diagram mata atas dan bawah. Ini membentuk diagram mata piawai (seperti yang dipaparkan di bawah). Kemudian apa yang anda perlu lakukan adalah untuk menentukannya dalam diagram mata mengikut spesifikasi isyarat.

Sudah tentu, figura berikut juga menunjukkan CLK, isyarat perbezaan berantai sebenar tidak dapat mengesan CLOCK pada garis isyarat.

Mari kita ambil contoh. Dari diagram mata, kualiti isyarat sangat lemah. Bersama dengan SYMPLE, ia boleh dilihat kualiti isyarat sangat lemah. Pinggir naik dan jatuh terlalu lambat, konsistensi terlalu lemah, LEVEL Tinggi isyarat tidak cukup, dan SKEW terlalu besar.

Keukuran isyarat perbezaan.

Sambungan masukan Secara umum, sambungan antara penyampai atau sond berbeza dan sumber isyarat adalah sumber ralat terbesar. Untuk menjaga pemadaman input, dua saluran sepatutnya sama seperti yang mungkin. Setiap kabel bagi dua terminal input sepatutnya mempunyai panjang yang sama. Jika sonda digunakan, model dan panjangnya juga sepatutnya sama. Apabila mengukur isyarat frekuensi rendah dengan tegangan mode umum tinggi, mengelakkan menggunakan sond dengan penyesalan. Pada keuntungan yang tinggi, sond tersebut tidak boleh digunakan sama sekali, kerana mustahil untuk seimbang dengan tepat penyesalan mereka. Apabila aplikasi tenaga tinggi atau frekuensi tinggi memerlukan perlawanan, sond pasif istimewa yang direka khusus untuk penyampai perbezaan patut digunakan. Jenis sonda ini mempunyai peranti yang boleh menyesuaikan penyesalan DC dan kompensasi AC. Untuk mendapatkan prestasi terbaik, setiap penyampai spesifik sepatutnya mempunyai set sond dedikasi, dan penyampai sepatutnya dikalibrasi mengikut prosedur yang diletak pada set sond ini.

Kaedah biasa adalah untuk memutar kabel + dan-input dalam pasangan. Ini mengurangkan kemungkinan untuk mengambil gangguan frekuensi garis dan bunyi lain. Jika anda ingin menangkap diagram mata, anda patut berjumpa dengan pembuat alat untuk mendapatkan perisian dan peralatan terbaru. Secara umum, set perisian dan peralatan ini dimuatkan secara terpisah