Vários mal-entendidos da linha diferencial no design do PCB

O sinal diferencial (sinal diferencial) é cada vez mais amplamente utilizado no projeto de circuito de alta velocidade, o sinal chave no circuito é projetado frequentemente pela estrutura diferencial, o que o torna tão popular?

Com estas duas questões em mãos, vamos passar para a próxima parte da discussão. Em termos leigos, a extremidade da unidade envia dois sinais equivalentes, invertidos, e a extremidade receptora determina se o estado lógico é "0" ou "1" comparando a diferença entre as duas tensões. O par de traços que carregam o sinal diferencial é chamado de traço diferencial.

Em comparação com traços de sinal de terminação única comuns, os sinais diferenciais têm vantagens óbvias nos três aspectos a seguir:

Uma forte capacidade anti-interferência, porque o acoplamento entre os dois traços diferenciais é muito bom, quando há interferência de ruído do lado de fora, é quase acoplado às duas linhas ao mesmo tempo, e a extremidade receptora está preocupada apenas com a diferença entre os dois sinais, Assim o ruído comum externo do modo pode completamente ser cancelado.

B. pode efetivamente suprimir a EMI, pela mesma razão, porque a polaridade dos dois sinais é oposta, seu campo eletromagnético de radiação externa pode cancelar um ao outro, quanto mais próximo o acoplamento, menos energia eletromagnética liberada para o mundo exterior.

O posicionamento de C. timing é preciso, porque a mudança de comutação do sinal diferencial está localizada na interseção de dois sinais, ao contrário do sinal de extremidade única comum, que depende do julgamento de tensões de limiar altas e baixas, é menos afetado pelo processo e pela temperatura, o que pode reduzir o erro no tempo, E é igualmente mais apropriado para circuitos com baixa amplitude sinaliza. O LVDS popular atual (sinalização diferencial da baixa tensão) refere esta tecnologia diferencial pequena da amplitude do sinal.

Para os engenheiros de PCB, a preocupação ainda é como garantir que essas vantagens do roteamento diferencial possam ser totalmente utilizadas no roteamento real. Talvez qualquer pessoa que tenha entrado em contato com o Layout entenda os requisitos gerais do roteamento diferencial, ou seja, "comprimento igual e distância igual". O comprimento igual é garantir que os dois sinais diferenciais mantenham a polaridade oposta em todos os momentos e reduzam o componente de modo comum; a equidistância é principalmente para garantir que as duas impedâncias diferenciais sejam consistentes e reduzam as reflexões. O princípio de "o mais próximo possível" às vezes é um dos requisitos do roteamento diferencial. Mas nenhuma dessas regras se destina a ser aplicada mecanicamente, e muitos engenheiros não parecem entender a natureza da sinalização diferencial de alta velocidade. O seguinte enfoca vários mal-entendidos comuns no design do sinal diferencial PCB.

Mito 1: Pense que os sinais diferenciais não precisam de um plano de terra como caminho de retorno ou pense que os traços diferenciais fornecem um caminho de retorno um para o outro. A razão para esse mal-entendido é que ele é confundido pelo fenômeno da superfície, ou a compreensão do mecanismo de transmissão de sinal de alta velocidade não é profunda o suficiente. O circuito diferencial é insensível a sinais de ruído como bounce e outros que podem estar presentes nos planos de potência e solo. O cancelamento parcial do refluxo do plano do solo não significa que o circuito diferencial não use o plano de referência como caminho de retorno do sinal. De fato, na análise do refluxo do sinal, o mecanismo da fiação diferencial é consistente com o da fiação simples comum, isto é, os sinais de alta frequência sempre fluem de volta ao longo do circuito com pequena indutância. A grande diferença está no acoplamento entre a fiação diferencial, além do acoplamento ao solo, cujo acoplamento é forte, o que se torna o principal caminho de retorno. No projeto do circuito PCB, o acoplamento entre o traço diferencial geral é pequeno, muitas vezes representando apenas 10 ~ 20% do grau de acoplamento, mais ou o acoplamento ao solo, de modo que o caminho de retorno principal do traço diferencial ainda existe no plano do solo. Quando há uma descontinuidade no plano do solo, o acoplamento entre traços diferenciais fornecerá o caminho principal de retorno na área sem o plano de referência. Embora a descontinuidade do plano de referência não tenha influência mais séria sobre os traços diferenciais do que os traços comuns de terminação única, ela ainda reduzirá a qualidade dos sinais diferenciais e aumentará a EMI, o que deve ser evitado o máximo possível. Alguns projetistas também acreditam que o plano de referência abaixo do traço diferencial pode ser removido para suprimir parte do sinal de modo comum na transmissão diferencial, mas teoricamente essa abordagem não é desejável, como controlar a impedância.

Mito 2: pense que manter o espaçamento igual é mais importante do que combinar o comprimento da linha. Na fiação real do PWB, frequentemente não é possível cumprir as exigências do projeto diferencial ao mesmo tempo. Devido à existência de distribuição de pinos, vias e espaço de roteamento, o objetivo da correspondência de comprimento de linha deve ser alcançado através de enrolamento apropriado, mas o resultado deve ser que algumas áreas de pares diferenciais não podem ser paralelas. A regra importante no projeto de traços diferenciais PCB é o comprimento da linha correspondente, e outras regras podem ser flexivelmente processadas de acordo com os requisitos de projeto e aplicações práticas.

Incompreensão 3: pense que a linha diferencial deve estar muito próxima. Deixe a linha diferencial nada mais é do que melhorar o seu acoplamento, que pode não só melhorar a imunidade ao ruído, mas também fazer pleno uso da polaridade oposta do campo magnético para compensar a interferência eletromagnética para o mundo exterior. Embora essa abordagem seja muito benéfica na maioria dos casos, mas não é, se pudermos garantir que eles estejam totalmente protegidos contra interferências externas, não precisamos deixar um ao outro passar por um forte acoplamento para atingir o objetivo de supressão anti-interferência e EMI. Como garantir que o traço diferencial tenha um bom isolamento e blindagem? Aumentar o espaçamento com outros traços de sinal é uma das maneiras básicas, a energia do campo eletromagnético está diminuindo com o quadrado da distância, o espaçamento geral da linha de mais de 4 vezes a largura da linha, a interferência entre eles é extremamente fraca, o básico pode ser ignorado. Além disso, o isolamento do plano do solo também pode desempenhar um bom efeito de blindagem. Esta estrutura é frequentemente usada em design de PCB de alta frequência (10G ou mais), que é chamado de estrutura CPW e pode garantir controle estrito de impedância diferencial (2Z0).

Os traços diferenciais podem igualmente andar em camadas diferentes do sinal, mas este método não é recomendado geralmente, porque as diferenças na impedância e nas vias geradas por camadas diferentes destruirão o efeito da transmissão do modo diferencial e introduzirão o ruído comum do modo. Além disso, se as duas camadas adjacentes não estiverem firmemente acopladas, a capacidade do traço diferencial de resistir ao ruído será reduzida, mas se o espaçamento adequado com o traço circundante puder ser mantido, a interferência não é um problema. Em frequências gerais (abaixo GHz),EMI não será um problema muito sério. Experimentos mostram que a atenuação da energia irradiada além de 3 metros atingiu 60dB para traços diferenciais com uma distância de 500Mils, o que é suficiente para atender ao padrão de radiação eletromagnética da FCC. Portanto, os projetistas não precisam se preocupar muito com a incompatibilidade eletromagnética causada pelo acoplamento insuficiente de linhas diferenciais.