Технология PCB - Анализ и расположение линий разностных сигналов

по мере того, как в последние годы требования в отношении скорости быстро возрастали, новые соглашения о шинах продолжали повышать скорость. традиционный протокол шины уже не отвечает требованиям. многие дизайнеры отдают предпочтение последовательным шинам из - за их большей сопротивляемости помехам, меньшего числа сигнальных линий и более высокой скорости. чаще всего встречаются Последовательные шины, особенно разностные сигналы. Итак, в этой газете я разобрал некоторые схемы дифференциальных сигналов и обсудил их со всеми.

1. The principle, advantages and disadvantages of differential signal lines

Differential signal (Differential Signal) is more and more widely used in high-speed circuit проектировать. The most critical signal in the circuit is often проектироватьed with a differential structure. What makes it so popular? как обеспечить хорошую производительность в PCB проектировать? Эти два вопроса, we proceed to the next part of the discussion. What is a differential signal? In layman's terms, передача двух одинаковых и обратных сигналов на конце привода, and the receiving end judges the logical state "0" or "1" by comparing the difference between the two voltages. The pair of traces carrying differential signals is called differential traces.

Compared with ordinary single-ended signal traces, differential signals have the most obvious advantages in the following three aspects:

a. Strong anti-interference ability, Потому что связь между двумя дифференциальными линиями очень хорошо. When there is noise interference from the outside, they are almost coupled to the two lines at the same time, принимающий конец заботится только о разнице между двумя сигналами. Therefore, the external common mode noise can be completely canceled.

b. It can effectively suppress EMI. For the same reason, due to the opposite polarity of the two signals, the electromagnetic fields radiated by them can cancel each other. As shown in the figure, ток в АА справа налево, ток в BB 'Это слева. Райт, then according to the right-hand spiral rule, их магнитные линии взаимокомпенсируются. усиление сцепления, the more magnetic lines of force cancel each other out. Чем меньше электромагнитной энергии высвобождается во внешний мир.

c. The timing positioning is accurate. Because the switch change of the differential signal is located at the intersection of the two signals, отличаться от простых однополюсных сигналов, which depends on the high and low threshold voltages to determine, it is less affected by the process and temperature, так можно уменьшить погрешность в часах. , But also more suitable for low-amplitude signal circuits. The current popular LVDS (low voltage differential signaling) refers to this small amplitude differential signaling technology.

2. An example of differential signal: LVDS

LVDS (Low Voltage Differential Signaling) is a low-swing current-type differential signal technology, which enables signals to be transmitted on differential PCB wire pairs or balanced cables at a rate of several hundred Mbps, and its low-voltage amplitude and low-current drive output are realized In order to achieve low noise and low power consumption. привод LVDS состоит из источника тока. The current is usually 3.5mA). The LVDS receiver has a very high input impedance, Таким образом, большинство токов привода выводится через соответствие со 100 Омега сопротивлением и соединяется с приёмником. The input terminal generates a voltage of about 350mA. когда Водитель поворачивает, Оно меняет направление тока, протекающего через резистор, thus producing valid logic "1" and logic "0" states. выполнять сигнал с малой амплитудой колебаний, and the differential signal provides a low-voltage swing with appropriate noise margins and greatly reduced power consumption. The substantial reduction in power allows multiple interface drivers and receivers to be integrated on a single integrated circuit. This improves the efficiency of the PCB board and reduces the cost.

Regardless of whether the LVDS transmission medium used is a PCB wire pair or a cable, необходимо принять меры для предотвращения отражения сигнала в конце диэлектрика при одновременном уменьшении электромагнитных помех. LVDS requires the use of a termination resistor (100±20Ω) that matches the medium. резистор прекращает циркуляционный сигнал тока и должен быть как можно ближе к входу приемника. привод LVDS может драйвер на двойной виселице со скоростью более 155.переместить на расстояние более 10 м со скоростью 5 Мбит / с. The actual limit on the speed is: ‘ The speed of TTL data sent to the drive; ‘¡The bandwidth performance of the medium.

мультиплексор обычно используется на стороне диска, а мультиплексор - на стороне приемника для обеспечения мультиплексирования нескольких каналов TL и одного канала LVDS, чтобы повысить скорость сигнала и уменьшить энергопотребление. и уменьшить количество носителей и интерфейсов, и снижает сложность оборудования.

приемник LVDS может выдержать изменение напряжения заземления между приводом и приемником по меньшей мере ± 1V. Since the typical bias voltage of the LVDS driver is +1.2V, сумма изменения напряжения заземления, напряжение смещения привода, шум малой связи, the input of the receiver is a common-mode voltage with respect to the receiver's ground. The common mode range is: +0.2V～+2.2V. It is recommended that the input voltage range of the receiver is: 0V～+2.4V.

требования к проводке разностных сигналов:

For PCB engineers, Наиболее тревожным является вопрос о том, как обеспечить, чтобы эти преимущества дифференциальной проводки использовались в полной мере на практике. Perhaps anyone who has been in contact with Layout will understand the general requirements of differential wiring, То есть, there are two points to pay attention to in the wiring of differential pairs. длина двух проводов должна быть максимально возможной, and the equal length is to ensure the timing of the two differential signals. сохранять противоположную полярность, уменьшать ковариантный компонент. The other is that the distance between the two wires (this distance is determined by the differential impedance) must be kept constant, То есть, it must be kept parallel. есть два параллельных способа, два провода в одной линии, and the other is that the two wires run on two adjacent layers above and below (over-under). В общем, the former has more side-by-side implementations.

эквидистантное расстояние предназначено, главным образом, для обеспечения того, чтобы дифференциальное сопротивление между ними было одинаковым, и для уменьшения отражения. The wiring method of the differential pair should be close and parallel appropriately. так называемая подходящая близость потому, что расстояние влияет на значение дифференциального импеданса, which is an important parameter for проектироватьнеравновесная дифференциальная пара. The need for parallelism is also to maintain the consistency of the differential impedance. Если эти две линии вдруг станут далекими, the differential impedance will be inconsistent, это повлияет на целостность сигнала и задержку времени.

ниже модель дифференциальной линии передачи

To facilitate analysis, дифференциальная линия обычно описывается своим нечётным модальным сопротивлением и запаздыванием, И эти части соответствуют его дифференциальным и симулятивным модулям тесно связаны, Так что его можно вычислить по уравнению 1.

Here Ctot = Cself + Cm. Cself is the capacitance between one line and ground, Cm - ёмкость между двумя линиями. Lself and Lm are the self-inductance of one line and the mutual inductance between two lines, по отдельности.

дифференциальное сопротивление определяется как измеренное сопротивление между двумя дифференциальными проводами. (так называемый дифференциальный привод означает, что два сигнала идентичны, но противоположны полярности). дифференциальное полное сопротивление означает нечётное модульное сопротивление. под странным модульным сопротивлением понимается полное сопротивление дифференциальной линии передачи, когда два провода дифференцированы [3]. четное модовое сопротивление означает сопротивление двух проводов, когда оба провода заземляются с помощью одного сопутствующего сигнала.

Using Equation 1, дифференцируемое сопротивление

сопутствующее сопротивление

но все эти правила не применяются механически, Многие инженеры по - прежнему не понимают сущность высокоскоростной разностной передачи сигналов. The following focuses on several common misunderstandings in PCB differential signal проектировать.

недоразумение 1: считается, что дифференциальные сигналы не должны быть плоскими, как путь возвращения, или что дифференциальные записи обеспечивают друг другу путь к возвращению. Это недоразумение объясняется тем, что они были озадачены поверхностными явлениями или что механизмы высокоскоростной передачи сигналов недостаточно развиты. Хотя разностные схемы не чувствительны к аналогичным наземным отскокам и другим шумовым сигналам, которые могут существовать на энергоносителях и в прилегающих слоях. частичный возврат на поверхность земли не означает, что дифференциальная схема не использует базовую поверхность в качестве пути возвращения сигнала. На самом деле, в анализе сигнала возврата, дифференциальная проводка и обычный однополюсный зажим механизма, то есть, высокочастотный сигнал всегда с наименьшей индуктивностью обратной связи по контуру, наибольшая разница заключается в том, что помимо связи с землей, разностная линия также имеет связь. Какая связь сильна, и какой из них является основным способом возвращения.

In PCBпроектирование схемы, the coupling between differential traces is generally small, обычно приходится только на 10 - 20% степени связи, and more is the coupling to the ground, Таким образом, основной путь возврата дифференциальной траектории все еще находится на плоскости земли . When there is a discontinuity in the ground plane, связь между дорожками дифференциальной записи обеспечит основной путь возврата в области без опорной плоскости. Хотя прерывность базиса влияет на дифференциальную линию следа, чем обычная однополюсная линия, it will still reduce the quality of the differential signal and increase EMI, это нужно как можно. Some проектироватьErs считает, что базисная плоскость под разностной траекторией может быть удалена, чтобы подавлять некоторые сопутствующие сигналы при разностной передаче. However, такой подход теоретически нежелательн. How to control the impedance? контур заземления без предоставления сопутствующего сигнала неизбежно приведет к облучению EMI. такой подход приносит больше вреда, чем пользы.

So keep the PCB ground plane return path wide and short. Try not to cross islands (across the separated areas of adjacent power supplies or ground layers.) For example, универсальная шина, SATA, PCI - EXPRESS в основной панели проектировать Лучше не пересекать острова. Ensure that there is a complete ground plane or power plane under these signals.

Misunderstanding 2: It is believed that keeping equal spacing is more important than matching line length. In actual PCB layout, it is often not possible to meet the requirements of differential проектировать at the same time. наличие таких факторов, как распределение пин, сквозное отверстие, and wiring space, Цель согласования длины линии должна достигаться через соответствующую обмотку, but the result must be that some areas of the differential pair cannot be parallel. In fact, the spacing is unequal. The impact of is minimal. в сравнении, the line length mismatch has a much greater impact on the timing. From the theoretical analysis, Хотя несогласованное расстояние может привести к изменению дифференциального импеданса, Потому что связь между разностными парами сама по себе не заметна, the impedance change range is also very small, usually within 10%, Это равносильно только одному проходу. отражение от отверстия не оказывает заметного влияния на передачу сигнала. Once the line length does not match, за исключением временного отклонения, вводить ковалентную составляющую в разностный сигнал, which reduces the quality of the signal and increases EMI.

можно сказать, что наиболее важным правилом при проектировании линий разности PCB является длина линий, другие правила могут быть гибкими в соответствии с требованиями конструкции и практического применения. В то же время, чтобы компенсировать совпадение сопротивлений, можно добавить согласующее сопротивление между линиями дифференцирования в конце приема. его значение равно разностному импедансу. Так качество сигнала будет лучше.

В этой связи предлагается следующее:

(A) Use terminal resistance to achieve the maximum matching to the differential transmission line, значение сопротивления обычно между 90 ~ 130, the system also needs this terminal resistance to generate a normal working differential voltage;

(B) предпочтительно установить резисторы на поверхности с точностью 1 - 2% на дифференциальных линиях. при необходимости можно использовать два резистора для 50 - ти отключений © для промежуточного заземления конденсатора для фильтра. шум.

В общем, разностный сигнал и часовое совпадение+/-10mils.

недоразумение 3: считает, что дифференциальная проводка должна быть очень близка. сближение каналов дифференциальной записи не является целью укрепления их связи, что не только повышает устойчивость к шуму, но и позволяет в полной мере использовать противоположные полюсы магнитного поля для нейтрализации электромагнитных помех внешним воздействиям. Хотя такой подход в большинстве случаев весьма полезен, он не является абсолютным. если мы сможем обеспечить, чтобы они были полностью защищены от внешнего вмешательства, то нам не нужно будет использовать сильные связи для достижения помех. и цель подавления электромагнитных помех. как нам обеспечить, чтобы дифференциальные дорожки были хорошо изолированы и защищены? одним из важнейших методов является увеличение разрыва с другими сигнальными каналами. энергия электромагнитного поля уменьшается в квадрате расстояния. обычно, когда расстояние между строками в 4 раза превышает ширину линий, помехи между ними очень слабы. можно игнорировать. Кроме того, хорошо защищена изоляция коллектора. Эта структура обычно используется для проектирования ВЧ (10G и выше) для герметизации PCB. Это называется структура CPW, которая обеспечивает строгое дифференциальное сопротивление. Ctrl (2Z0).

дорожка дифференциальной записи также может работать в разных сигнальных слоях, but this method is generally not recommended, Потому что различия в сопротивлении и отверстии, создаваемые различными слоями, разрушают эффект разностной передачи и вводят шумы общего типа. In addition, если соседние два слоя не тесно связаны, it will reduce the ability of the differential trace to resist noise, Но если вы сможете держать следы на расстоянии, звук не проблема. At general frequencies (below GHz), EMI не будет серьезной проблемой. эксперимент показал, что уменьшение лучистой энергии на дистанции 500 миллиметров регистрирует разницу в дальности до 60 децибел на 3 м., Это достаточно для того, чтобы соответствовать стандарту электромагнитного излучения FCC, поэтому проектироватьer does not have to worry too much about the electromagnetic incompatibility caused by insufficient differential line coupling.

4. Eye diagram

In the test of differential signals, один из тестов, с которым мы часто встречаемся, это рисунок глаз, and many проектировать новичок может услышать тест. Но многие еще не знают. Learning to look at the eye diagram is very useful for your own testing and DEBUG. под глазами.

в каждом часовом цикле передача будет иметь сигнал. But if it is a very long bit stream (bits), then it is difficult to determine whether the signal meets the specifications (specifications). In order to facilitate the analysis, если все позиции сигналов могут составить диаграмму сигналов, Затем вы можете посмотреть на это, сложить Эти диаграммы и посмотреть, соответствуют ли они спецификациям. это рисунок глаз.

Как показано на диаграмме ниже, предполагается, что все сигналы поднимаются по часовой стрелке. затем в зависимости от высоты и сложения волнообразных сигналов для получения всех данных. Каждая такая форма волны называется симфонией. Как показано на рисунке (только одна форма на картинке была удалена, чтобы читатели могли видеть ее отчетливо), это образует первую часть глазной диаграммы. Затем, по падению, его вынимают и складывают вместе, образуя вторую половину глазной карты. В то же время формы сигнала высокого или низкого уровня образуют верхнюю и нижнюю часть глазной карты. Это представляет собой стандартную глазную карту (как показано ниже). Тогда все, что вам нужно сделать, это определить его в глазной диаграмме по форме сигнала.

Конечно, the following figure also shows CLK, реальные последовательные разностные сигналы не могут засечь часы на линии сигнала.

Давайте приведем пример. Судя по глазам, качество сигнала плохое. в связи с этим можно отметить, что качество сигнала очень плохое. скорость подъема и спуска слишком медленные, равномерность слишком мала, уровень сигнала недостаточно высок, наклон слишком велик.

5. измерение разностных сигналов.

входное соединение, как правило, является крупнейшим источником погрешности между дифференциальным усилителем или зондом и источником сигнала. чтобы сохранить совпадение ввода, оба канала должны быть как можно одинаковыми. Любое соединение с двумя входными зажимами должно иметь одинаковую длину. если используется зонд, то его тип и длина должны быть одинаковыми. при измерении низкочастотных сигналов с высоким уровнем сополимерного напряжения избегайте использования демпфирующего зонда. В случае с высоким коэффициентом усиления этот зонд вообще не может быть использован, так как невозможно точно сбалансировать их затухание. в тех случаях, когда требуется затухание приложений высокого напряжения или высокой частоты, следует использовать специальные пассивные зонды, специально предназначенные для дифференциальных усилителей. Этот зонд имеет устройство, способное точно регулировать затухание постоянного тока и компенсацию переменного тока. для обеспечения оптимальной производительности каждый конкретный усилитель должен иметь специальный зонд, который должен быть калиброван в соответствии с соответствующей программой зонда.

A common method is to twist the + and-input cables in pairs. Это снижает вероятность частотных помех и других шумов на сборочных линиях. если вы хотите поймать карту глаз, Вам следует проконсультироваться с изготовителем приборов, чтобы получить новое программное обеспечение и приспособление. В общем, Это программное обеспечение и оборудование платные