Varios malentendidos de la línea diferencial en el diseño de PCB

La señal diferencial (señal diferencial) se usa cada vez más en el diseño de circuitos de alta velocidad, la señal clave en el circuito a menudo está diseñada por la estructura diferencial, ¿qué la hace tan popular?

Con estas dos preguntas en la mano, pasaremos a la siguiente parte de la discusión. En términos simples, el extremo de la unidad envía dos señales equivalentes, invertidas, y el extremo receptor determina si el estado lógico es "0" o "1" comparando la diferencia entre los dos voltajes. El par de trazas que llevan la señal diferencial se llama traza diferencial.

En comparación con las trazas de señal de terminación única comunes, las señales diferenciales tienen ventajas obvias en los siguientes tres aspectos:

Una fuerte capacidad antiinterferente, porque el acoplamiento entre las dos trazas diferenciales es muy bueno, cuando hay interferencia de ruido desde el exterior, casi está acoplado a las dos líneas al mismo tiempo, y el extremo receptor solo se ocupa de la diferencia entre las dos señales, Así que el ruido de modo común externo puede ser completamente cancelado.

B. puede suprimir efectivamente EMI, por la misma razón, porque la polaridad de las dos señales es opuesta, su campo electromagnético de radiación externa puede cancelarse entre sí, cuanto más cerca esté el acoplamiento, menos energía electromagnética liberada al mundo exterior.

El posicionamiento de C. El tiempo es preciso, porque el cambio de conmutación de la señal diferencial se encuentra en la intersección de dos señales, a diferencia de la señal común de un solo extremo, que depende del juicio de los voltajes de umbral alto y bajo, se ve menos afectada por el proceso y la temperatura, que puede reducir el error en el tiempo, Y también es más adecuado para circuitos con señales de baja amplitud. El LVDS popular actual (señalización diferencial de baja tensión) se refiere a esta tecnología de amplitud de señal diferencial pequeña.

Para los ingenieros de PCB, la preocupación sigue siendo cómo garantizar que estas ventajas del enrutamiento diferencial se puedan utilizar por completo en el enrutamiento real. Quizás cualquiera que haya contactado con Layout entiende los requisitos generales de enrutamiento diferencial, es decir, "igual longitud e igual distancia". La longitud igual es asegurar que las dos señales diferenciales mantengan la polaridad opuesta en todo momento y reduzcan el componente de modo común; la equidistancia es principalmente asegurar que las dos impedancias diferenciales sean consistentes y reduzcan las reflexiones. El principio de "lo más cerca posible" es a veces uno de los requisitos del enrutamiento diferencial. Pero ninguna de estas reglas está destinada a ser aplicada mecánicamente, y muchos ingenieros no parecen entender la naturaleza de la señalización diferencial de alta velocidad. Lo siguiente se centra en varios malentendidos comunes en el diseño de señal diferencial de PCB.

Mito 1: Piense que las señales diferenciales no necesitan un plano de tierra como camino de retorno o piense que los rasgos diferenciales dan un camino de retorno entre sí. La razón de este malentendido es que está confundido por el fenómeno de la superficie, o la comprensión del mecanismo de transmisión de señal de alta velocidad no es lo suficientemente profunda. El circuito diferencial es insensible a señales de ruido tales como rebote y otras que pueden estar presentes en los planos de potencia y tierra. La cancelación parcial del reflujo del plano de tierra no significa que el circuito diferencial no utilice el plano de referencia como trayectoria de retorno de la señal. De hecho, en el análisis del flujo de retorno de la señal, el mecanismo del cableado diferencial es consistente con el del cableado simple ordinario, es decir, las señales de alta frecuencia siempre fluyen hacia atrás a lo largo del circuito con una pequeña inductancia. La gran diferencia está en el acoplamiento entre el cableado diferencial, además del acoplamiento al suelo, cuyo acoplamiento es fuerte, que se convierte en la ruta de retorno principal. En el diseño del circuito de PCB, el acoplamiento entre la traza diferencial general es pequeño, a menudo representa solo el 10 ~ 20% del grado de acoplamiento, más o el acoplamiento al suelo, de modo que la ruta de retorno principal de la traza diferencial todavía existe en el plano de tierra. Cuando hay una discontinuidad en el plano de tierra, el acoplamiento entre los rasgos diferenciales proporcionará la ruta de retorno principal en el área sin el plano de referencia. Si bien la discontinuidad del plano de referencia no tiene una influencia más seria en los rasgos diferenciales que los rasgos comunes de terminación única, aún reducirá la calidad de las señales diferenciales y aumentará la EMI, lo que debe evitarse tanto como sea posible. Algunos diseñadores también creen que el plano de referencia por debajo de la traza diferencial puede eliminarse para suprimir parte de la señal de modo común en la transmisión diferencial, pero teóricamente este enfoque no es deseable, tal como controlar la impedancia.

Mito 2: Piensa que mantener el espaciado igual es más importante que hacer coincidir la longitud de la línea. En el cableado de PWB real, a menudo no es posible cumplir con los requisitos de diseño diferencial al mismo tiempo. Debido a la existencia de distribución de pines, rutas y espacio de enrutamiento, el propósito de la coincidencia de longitud de línea debe lograrse a través del devanado apropiado, pero el resultado debe ser que algunas áreas de pares diferenciales no pueden ser paralelas. La regla importante en el diseño de los rasgos diferenciales de PCB es la longitud de la línea correspondiente, y otras reglas se pueden procesar de manera flexible de acuerdo con los requisitos de diseño y las aplicaciones prácticas.

Incomprensión 3: Piensa que la línea diferencial debe estar muy cerca. Deje que la línea diferencial no sea más que para mejorar su acoplamiento, que no solo puede mejorar la inmunidad al ruido, sino que también hace un uso completo de la polaridad opuesta del campo magnético para compensar la interferencia electromagnética con el mundo exterior. Aunque este enfoque es muy beneficioso en la mayoría de los casos, pero no lo es, si podemos asegurarnos de que estén completamente protegidos de la interferencia externa, no necesitamos dejar que los demás pasen por un fuerte acoplamiento para lograr el objetivo de supresión antiinterferente y EMI. ¿Cómo garantizar que la traza diferencial tenga un buen aislamiento y blindaje? Aumentar el espaciado con otras trazas de señal es una de las formas básicas, la energía del campo electromagnético está disminuyendo con el cuadrado de la distancia, el espaciado de línea general de más de 4 veces el ancho de línea, la interferencia entre ellos es extremadamente débil, lo básico puede ser ignorado. Además, el aislamiento del plano de tierra también puede jugar un buen efecto de protección. Esta estructura se usa a menudo en el diseño de PCB de alta frecuencia (10G o más), que se llama estructura CPW y puede garantizar un estricto control de impedancia diferencial (2Z0).

Las trazas diferenciales también pueden caminar en diferentes capas de la señal, pero este método generalmente no se recomienda, porque las diferencias en la impedancia y las vías generadas por diferentes capas destruirán el efecto de la transmisión de modo diferencial e introducirán ruido de modo común. Además, si las dos capas adyacentes no están estrechamente acopladas, se reducirá la capacidad de la traza diferencial para resistir el ruido, pero si se puede mantener la separación adecuada con la traza circundante, la interferencia no es un problema. En las frecuencias generales (por debajo de GHz),EMI no será un problema muy serio. Los experimentos muestran que la atenuación de la energía radiada más allá de 3 metros alcanzó los 60dB para trazas diferenciales con una distancia de 500mils, que es suficiente para cumplir con el estándar de radiación electromagnética de la FCC. Por lo tanto, los diseñadores no necesitan preocuparse demasiado por la incompatibilidad electromagnética causada por el acoplamiento insuficiente de las líneas diferenciales.