PCB-Technologie - Analyse und LAYOUT der Differenzsignalleitung

Mit dem rasanten Anstieg der Geschwindigkeitsanforderungen in den letzten Jahren schlagen neue Busprotokolle weiterhin höhere Geschwindigkeiten vor. Das traditionelle Busprotokoll kann die Anforderungen nicht mehr erfüllen. Der serielle Bus wird von vielen Konstrukteuren wegen seiner besseren Störfestigkeit, weniger Signalleitungen und höheren Geschwindigkeit bevorzugt. Und der serielle Bus ist vor allem der Weg des Differenzsignals ist am meisten. So habe ich in diesem Artikel einige Entwürfe von differentiellen Signalleitungen aussortiert und mit allen diskutiert.

1. Das Prinzip, Vor- und Nachteile von differenziellen Signalleitungen

Differential signal (Differential Signal) is more and more widely used in high-speed Schaltung Design. Das kritischste Signal in der Schaltung ist vont Designd mit differentieller Struktur. Was macht es so beliebt? Wie seine gute Leistung in PCB Design? Mit diesen beiden Fragen, wir gehen zum nächsten Teil der Diskussion über. Was ist ein Differenzsignal?? In Laien-Begriffen, Das Antriebsende sendet zwei gleiche und umgekehrte Signale, und das empfangende Ende beurteilt den logischen Zustand "0" oder "1" durch Vergleich der Differenz zwischen den beiden Spannungen. Das Paar von Leitern, die Differenzsignale tragen, wird Differentialspuren genannt.

Im Vergleich zu gewöhnlichen einseitigen Signalspuren haben Differenzsignale die offensichtlichsten Vorteile in den folgenden drei Aspekten:

a. Starke Anti-Interferenz Fähigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden differentiellen Spuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen von außen sind sie fast gleichzeitig an die beiden Leitungen gekoppelt, und das Empfangsende kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Dadurch kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig abgebrochen werden.

b. Es kann EMI wirksam unterdrücken. Aus dem gleichen Grund können sich die von ihnen ausgestrahlten elektromagnetischen Felder aufgrund der entgegengesetzten Polarität der beiden Signale gegenseitig aufheben. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der Strom in AA' von rechts nach links und der Strom in BB' von links nach links. Nach der rechten Spiralregel heben sich ihre magnetischen Kraftlinien gegenseitig auf. Je enger die Kupplung, desto mehr magnetische Kraftlinien heben sich gegenseitig auf. Je weniger elektromagnetische Energie an die Außenwelt abgegeben wird.

c. Die Zeitpositionierung ist genau. Da der Schalterwechsel des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, im Gegensatz zum gewöhnlichen einseitigen Signal, das von den hohen und niedrigen Schwellenspannungen abhängt, um zu bestimmen, wird er weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst, was den Fehler in der Zeit verringern kann., Aber auch besser geeignet für Signalschaltungen mit geringer Amplitude. Die aktuelle populäre LVDS (Low Voltage Differential Signaling) bezieht sich auf diese kleine Amplitudendifferenzsignalisierungstechnologie.

2. Ein Beispiel für Differenzsignal: LVDS

LVDS (Low Voltage Differential Signaling) is a low-swing current-type Differenzsignal technology, die Übertragung von Signalen auf Differential- PCB Drahtpaare oder symmetrische Kabel mit einer Rate von mehreren hundert Mbps, und seine Niederspannungs-Amplitude und Niederstrom-Antriebsausgang werden realisiert, um niedriges Rauschen und niedrigen Stromverbrauch zu erreichen. Der LVDS-Treiber besteht aus einer Stromquelle, die ein differentielles Leitungspaar antreibt. Der Strom beträgt normalerweise 3.5mA). Der LVDS Empfänger hat eine sehr hohe Eingangsimpedanz, So fließt der größte Teil des Stromausgangs durch einen passenden Widerstand von 100Ω‧ und wird mit dem Empfänger verbunden. Die Eingangsklemme erzeugt eine Spannung von ca. 350mA. Wenn der Fahrer dreht, Es ändert die Richtung des Stroms, der durch den Widerstand fließt, dadurch gültige Logik "1" und Logik "0" Zustände erzeugen. Das schwingungsarme Antriebssignal realisiert Hochgeschwindigkeitsbetrieb und reduziert den Stromverbrauch, und das Differenzsignal sorgt für einen Niederspannungsschwung mit entsprechenden Rauschmargen und stark reduziertem Stromverbrauch. Die erhebliche Leistungsreduktion ermöglicht die Integration mehrerer Schnittstellentreiber und Empfänger in einer einzigen integrierten Schaltung. Dies verbessert die Effizienz der Leiterplatte and reduces the cost.

Unabhängig davon, ob das verwendete LVDS-Übertragungsmedium ein PCB Drahtpaar oder Kabel, Es sind Maßnahmen zu treffen, um zu verhindern, dass das Signal an der Medienklemme reflektiert wird und gleichzeitig elektromagnetische Störungen zu verringern. LVDS requires the use of a termination resistor (100±20Ω) that matches the medium. Dieser Widerstand beendet das zirkulierende Stromsignal und sollte so nah wie möglich am Eingang des Empfängers platziert werden. Der LVDS-Fahrer kann Twisted Pair mit einer Geschwindigkeit von mehr als 155 fahren.5Mbps über eine Entfernung von mehr als 10m. Die tatsächliche Begrenzung der Geschwindigkeit ist: 1. Die Geschwindigkeit der TTL-Daten, die an das Laufwerk gesendet werden; 2. Die Bandbreitenleistung des Mediums.

Normalerweise wird ein Multiplexer auf der Treiberseite und ein Demultiplexer auf der Empfängerseite verwendet, um Multiplexkonvertierung mehrerer TTL-Kanäle und eines LVDS-Kanals zu implementieren, um die Signalrate zu erhöhen und den Stromverbrauch zu reduzieren. Und reduzieren Sie das Übertragungsmedium und die Anzahl der Schnittstellen und reduzieren Sie die Komplexität der Ausrüstung.

Der LVDS-Empfänger kann mindestens ±1V der Erdspannungsänderung zwischen Fahrer und Empfänger standhalten. Da die typische Vorspannungsspannung des LVDS-Treibers +1,2V ist, die Summe der Erdungsspannungsänderung, der Treiberspannungsspannung und des leicht gekoppelten Rauschens, ist der Eingang des Empfängers eine Gleichtaktspannung in Bezug auf die Masse des Empfängers. Der Gleichtaktbereich beträgt (+0.2V～+2.2V. Es wird empfohlen, dass der Eingangsspannungsbereich des Empfängers beträgt: 0V～+2.4V.

3. Verdrahtungsanforderungen für Differenzsignale:

Für PCB-Ingenieure ist die größte Sorge, wie sichergestellt werden kann, dass diese Vorteile der Differenzverdrahtung vollständig in der tatsächlichen Verdrahtung genutzt werden können. Vielleicht versteht jeder, der mit Layout in Kontakt war, die allgemeinen Anforderungen an die differentielle Verdrahtung, das heißt, es gibt zwei Punkte, auf die man bei der Verdrahtung von Differentialpaaren achten muss. Eine ist, dass die Länge der beiden Drähte so lang wie möglich sein sollte, und die gleiche Länge ist, um das Timing der beiden Differenzsignale sicherzustellen. Halten Sie die entgegengesetzte Polarität und reduzieren Sie die Gleichtaktkomponente. Die andere ist, dass der Abstand zwischen den beiden Drähten (dieser Abstand wird durch die Differenzimpedanz bestimmt) konstant gehalten werden muss, das heißt, er muss parallel gehalten werden. Es gibt zwei parallele Wege, eine ist, dass die beiden Drähte auf der gleichen Seite laufen, und die andere ist, dass die beiden Drähte auf zwei benachbarten Schichten oben und unten (over-under) laufen. Im Allgemeinen hat erstere mehr Side-by-Side-Implementierungen.

Die Equidistance soll hauptsächlich die gleiche Differenzimpedanz zwischen den beiden gewährleisten und Reflexion reduzieren. Die Verdrahtungsmethode des Differenzialpaares sollte eng und parallel angemessen sein. Die sogenannte angemessene Nähe liegt darin, dass der Abstand den Wert der Differenzimpedanz beeinflusst, der ein wichtiger Parameter für die Auslegung von Differenzpaaren ist. Die Notwendigkeit der Parallelität besteht auch darin, die Konsistenz der Differenzimpedanz aufrechtzuerhalten. Wenn die beiden Leitungen plötzlich weit und nah sind, ist die Differenzimpedanz inkonsistent, was die Signalintegrität und Zeitverzögerung beeinflusst.

Unten ist das Modell der differentiellen Übertragungsleitung

Um die Analyse zu erleichtern, wird ein differentielles Linienpaar oft in Bezug auf seine ungerade und gerade Mode Impedanz und Verzögerung beschrieben, und diese Teile, die seinem Differentialmodus und dem gemeinsamen Modus entsprechen, sind eng verwandt, so dass es durch Gleichung 1 berechnet werden kann.

Hier Ctot.Cself für Cm. Cself ist die Kapazität zwischen einer Leitung und Masse, und Cm ist die Kapazität zwischen zwei Linien. Lself und Lm sind die Selbstinduktivität einer Leitung bzw. die gegenseitige Induktivität zwischen zwei Leitungen.

Differenzimpedanz ist definiert als die Impedanz, die zwischen zwei unterschiedlich angetriebenen Drähten gemessen wird. (Der sogenannte Differenzantrieb bedeutet, wenn zwei Signale exakt gleich sind, aber in der Polarität gegensätzlich sind). Die Differenzimpedanz bezieht sich auf die ungerade Impedanz. Die sogenannte Odd-Mode-Impedanz bezieht sich auf die Impedanz eines Übertragungsleitungs in einem Differentialpaar, wenn zwei Drähte differentiell angetrieben werden [3]. Gleichtaktimpedanz bezieht sich auf die Impedanz zweier Drähte in einem Differenzialpaar, wenn beide Drähte durch ein einziges Gleichtaktsignal zur Masse angetrieben werden.

Unter Verwendung von Gleichung 1 kann es abgeleitet werden: Differenzimpedanz

Gleichtaktimpedanz

Aber alle diese Regeln werden nicht verwendet, um mechanisch anzuwenden, und viele Ingenieure scheinen immer noch nicht das Wesen der Hochgeschwindigkeits-differenziellen Signalübertragung zu verstehen. Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Missverständnisse im PCB Differential Signal Design.

Missverständnis 1: Es wird angenommen, dass das Differentialsignal keine Erdungsebene als Rückweg benötigt, oder dass die Differentialspuren einen Rückweg füreinander bereitstellen. Der Grund für dieses Missverständnis ist, dass sie durch oberflächliche Phänomene verwirrt werden oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung nicht tief genug ist. Obwohl die Differenzschaltung unempfindlich gegenüber ähnlichen Erdungshülsen und anderen Rauschsignalen ist, die auf der Leistungs- und Erdungsebene existieren können. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. In der Tat ist in der Signalrücklaufanalyse der Mechanismus der Differenzverdrahtung und der gewöhnlichen einseitigen Verdrahtung derselbe, das heißt, Hochfrequenzsignale werden immer entlang der Schleife mit der kleinsten Induktivität nachgeführt, der größte Unterschied besteht darin, dass neben der Kopplung zur Erde die Differenzleitung auch gegenseitige Kopplung aufweist. Welche Art von Kopplung ist stark, welche wird zum Hauptrückweg.

In PCBSchaltungsDesign, Die Kopplung zwischen Differenzspuren ist im Allgemeinen gering, und macht oft nur 10-20% des Kopplungsgrades aus, und mehr ist die Kupplung zum Boden, So existiert der Hauptrücklauf der Differentialspur noch auf der Grundebene . Wenn es eine Diskontinuität in der Bodenebene gibt, Die Kopplung zwischen den Differentialspuren liefert den Hauptrückweg im Bereich ohne Bezugsebene. Obwohl der Einfluss der Diskontinuität der Bezugsebene auf die Differentialspur nicht so gravierend ist wie der der gewöhnlichen einseitigen Spur, Es wird immer noch die Qualität des Differenzsignals verringern und EMI erhöhen, die möglichst vermieden werden sollten. Einige DesignEr glauben, dass die Referenzebene unter der Differentialspur entfernt werden kann, um einige Gleichtaktsignale in der Differentialstrecke zu unterdrücken. Allerdings, Dieser Ansatz ist in der Theorie nicht wünschenswert. Wie man die Impedanz steuert? Das Fehlen einer Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal verursacht zwangsläufig EMI-Strahlung. Dieser Ansatz schadet mehr als nützt.

Halten Sie also den Rückweg der Leiterplattenfläche breit und kurz. Versuchen Sie, keine Inseln zu überqueren (über die getrennten Bereiche benachbarter Netzteile oder Erdungsschichten). USB, SAT und PCI-EXPRESS im Mainboard-Design sind beispielsweise am besten, Inseln nicht zu überqueren. Stellen Sie sicher, dass sich unter diesen Signalen eine vollständige Erdungs- oder Leistungsebene befindet.

Missverständnis 2: Es wird angenommen, dass der gleiche Abstand wichtiger ist als die Übereinstimmung der Zeilenlänge. In Wirklichkeit Leiterplattenlayout, Es ist oft nicht möglich, die Anforderungen von Differential Design zur gleichen Zeit. Aufgrund des Vorhandenseins von Faktoren wie Pinverteilung, Durchkontaktierungen, und Verdrahtungsraum, Der Zweck der Linienlängenanpassung muss durch ordnungsgemäße Wicklung erreicht werden, Aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differentialpaars nicht parallel sein können. In der Tat, der Abstand ist ungleich. Die Auswirkungen von. Im Vergleich, die Linienlänge Mismatch hat einen viel größeren Einfluss auf das Timing. Aus der theoretischen Analyse, Obwohl der inkonsistente Abstand dazu führt, dass sich die Differenzimpedanz ändert, weil die Kopplung zwischen dem Differentialpaar selbst nicht signifikant ist, der Impedanzänderungsbereich ist auch sehr klein, normalerweise innerhalb von 10%, die nur einem Durchgang entspricht. Die Reflexion durch das Loch hat keinen signifikanten Einfluss auf die Signalübertragung. Sobald die Linienlänge nicht übereinstimmt, zusätzlich zum Zeitversatz, Gleichtaktkomponenten werden in das Differenzsignal eingebracht, die Qualität des Signals reduziert und die EMI erhöht.

Es kann gesagt werden, dass die wichtigste Regel beim Design von PCB-Differentialspuren die passende Linienlänge ist, und andere Regeln können flexibel nach Designanforderungen und tatsächlichen Anwendungen gehandhabt werden. Gleichzeitig kann, um die Impedanzanpassung zu kompensieren, ein Matching-Widerstand zwischen den differentiellen Linienpaaren am Empfangsende addiert werden. Sein Wert sollte gleich dem Wert der Differenzimpedanz sein. Auf diese Weise wird die Signalqualität besser sein.

Daher werden folgende zwei Punkte empfohlen:

(A) Verwenden Sie den Klemmenwiderstand, um die maximale Übereinstimmung mit der Differenzübertragungsleitung zu erreichen, der Widerstandswert liegt im Allgemeinen zwischen 90,130 Ω, das System benötigt diesen Klemmenwiderstand auch, um eine normale Arbeitsdifferenzspannung zu erzeugen;

(B) Es ist am besten, oberflächenmontierte Widerstände mit einer Genauigkeit von 1-2% über die Differenziallinie zu verwenden. Bei Bedarf können zwei Widerstände mit jeweils einem Widerstand von 50Ω verwendet werden, und ein Kondensator ist in der Mitte geerdet, um den gemeinsamen Modus herauszufiltern. Lärm.

Im Allgemeinen sind die Anpassungsanforderungen für die CLOCK des Differenzsignals und dergleichen gleich innerhalb +/-10mils.

Missverständnis 3: Denken Sie, dass die Differenzverdrahtung sehr nah sein muss. Die Nähe der Differentialspuren zu halten, ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, was nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, sondern auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes voll ausnutzen kann, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, ist er nicht absolut. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig von externen Störungen abgeschirmt sind, müssen wir keine starke Kupplung verwenden, um Interferenzschutz zu erzielen. Und der Zweck, EMI zu unterdrücken. Wie können wir eine gute Isolierung und Abschirmung von Differentialspuren sicherstellen? Das Vergrößern des Abstandes mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegendsten Möglichkeiten. Die elektromagnetische Feldenergie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Im Allgemeinen ist die Interferenz zwischen ihnen extrem schwach, wenn der Linienabstand das Vierfache der Linienbreite überschreitet. Kann ignoriert werden. Darüber hinaus kann die Isolation durch die Bodenebene auch eine gute Abschirmfunktion spielen. Diese Struktur wird oft beim Entwurf von Hochfrequenz-IC-Paket-Leiterplatten (über 10G) verwendet. Es wird eine CPW-Struktur genannt, die eine strenge differentielle Impedanz gewährleisten kann. Steuerung (2Z0).

Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten laufen, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten produziert werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Wenn die benachbarten beiden Schichten nicht fest gekoppelt sind, verringert dies die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn Sie einen angemessenen Abstand zu den umliegenden Spuren beibehalten können, ist Übersprechen kein Problem. Bei allgemeinen Frequenzen (unter GHz) wird EMI kein ernsthaftes Problem darstellen. Experimente haben gezeigt, dass die Dämpfung der abgestrahlten Energie in einem Abstand von 500 Mio. von Differentialspuren 60 dB bei einem Abstand von 3 Metern erreicht hat, was ausreicht, um die FCC-Normen für elektromagnetische Strahlung zu erfüllen, so dass der Konstrukteur sich nicht zu sehr um die elektromagnetische Inkompatibilität kümmern muss, die durch unzureichende differentielle Leitungskopplung verursacht wird.

4. Augendiagramm

Beim Test von Differenzsignalen stoßen wir oft auf ein Testobjekt ist das Augendiagramm, und viele Designanfänger haben möglicherweise von dem Augendiagramm-Test gehört. Aber es gibt immer noch viele, die nicht wissen, woher die Augendiagramme kommen. Das Augendiagramm betrachten zu lernen ist sehr nützlich für Ihre eigenen Tests und DEBUG. Im Folgenden wird das Augendiagramm beschrieben.

In jedem Taktzyklus gibt es ein Signal in der Übertragung. Wenn es sich aber um einen sehr langen Bitstrom (Bits) handelt, ist es schwierig festzustellen, ob das Signal den Spezifikationen (Spezifikationen) entspricht. Um die Analyse zu erleichtern, wenn alle Signalbits ein Signaldiagramm bilden können, können Sie dies betrachten und diese Diagramme überlagern, um zu sehen, ob sie den Spezifikationen entsprechen. Das ist das Augendiagramm.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird angenommen, dass alle Signale am aufsteigenden Rand der Uhr ausgelöst werden. Anschließend werden die Wellenformen aller Datensignale entsprechend der steigenden Kante herausgenommen und überlagert. Jede dieser Wellenformen wird als SYMPLE bezeichnet. Wie im Bild gezeigt (nur eine Wellenform wird auf dem Bild herausgenommen, damit der Leser sie deutlich sehen kann), bildet diese die erste Hälfte des Augendiagramms. Dann nehmen Sie sie entsprechend der fallenden Kante heraus und stapeln Sie sie zusammen, dann kann die zweite Hälfte des Augendiagramms gebildet werden. Gleichzeitig bilden High-Level- oder Low-Level-Signalformen die Ober- und Unterseite des Augendiagramms. Dies bildet ein Standard-Augendiagramm (wie unten gezeigt). Dann müssen Sie es nur noch im Augendiagramm entsprechend der Signalspezifikation definieren.

Natürlich zeigt die folgende Abbildung auch CLK, das tatsächliche serielle Differenzsignal kann CLOCK auf der Signalleitung nicht erkennen.

Nehmen wir ein Beispiel. Aus dem Augendiagramm ist die Signalqualität sehr schlecht. Entsprechend seinem SYMPLE kann man sehen, dass die Signalqualität sehr schlecht ist. Die steigenden und fallenden Kanten sind zu langsam, die Konsistenz ist zu schlecht, das HIGH LEVEL des Signals reicht nicht aus und der SKEW ist zu groß.

5. Messung des Differenzsignals.

Im Allgemeinen ist die Verbindung zwischen einem Differenzverstärker oder einer Sonde und einer Signalquelle die größte Fehlerquelle. Um den Eingangsabgleich aufrechtzuerhalten, sollten die beiden Kanäle möglichst gleich sein. Jede Verkabelung der beiden Eingangsklemmen sollte die gleiche Länge haben. Wenn eine Sonde verwendet wird, sollten auch ihr Modell und ihre Länge identisch sein. Vermeiden Sie bei der Messung niederfrequenter Signale mit hohen Gleichtaktspannungen den Einsatz von Dämpfungssonden. Bei hohen Gewinnen können solche Sonden überhaupt nicht verwendet werden, da es unmöglich ist, ihre Dämpfung genau auszugleichen. Wenn Hochspannungs- oder Hochfrequenzanwendungen eine Dämpfung erfordern, sollten spezielle passive Sonden verwendet werden, die speziell für Differenzverstärker entwickelt wurden. Diese Art von Sonde hat eine Vorrichtung, die die Gleichstromdämpfung und Wechselstromkompensation präzise einstellen kann. Um die beste Leistung zu erzielen, sollte jeder spezifische Verstärker einen speziellen Satz von Sonden haben, und der Verstärker sollte gemäß den Verfahren kalibriert werden, die mit diesem Satz von Sonden verbunden sind.

Eine gängige Methode besteht darin, die A- und Eingangskabel paarweise zu verdrehen. Dadurch wird die Möglichkeit reduziert, Leitungsfrequenzstörungen und andere Rauschen aufzunehmen. Wenn Sie das Augendiagramm erfassen möchten, sollten Sie den Instrumentenhersteller konsultieren, um die neueste Software und Vorrichtungen zu erhalten. Im Allgemeinen wird dieser Satz von Software und Vorrichtungen separat berechnet