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Technologie PCB
Analyse et disposition des lignes de signaux différentiels
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Analyse et disposition des lignes de signaux différentiels

Analyse et disposition des lignes de signaux différentiels

2021-08-24
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Author:IPCB

AveC / l'Un.ugmentation rapide de la demande de vitesse au cours des dernières années, new bus protocols continue to propose higher speeds. The traditional bus protocol can no longer meet the requirements. Les bus série sont favorisés par de nombreux concepteurs pour leur meilleure anti - interférence, Moins de lignes de signalisation, and higher speed. Les bus série, en particulier les signaux différentiels, sont les plus courants. So in this article I have sorted out some design of differential signal lines and discussed it with everyone.


1. Principe, avantages et inconvénients de la ligne de Signalisation différentielle


Differential signal (Differential Signal) is more and more widely used in high-speed circuit design. Les signaux les plus critiques dans les circuits sont généralement conçus avec une structure différentielle. What makes it so popular? Comment assurer sa bonne performance sur le marché Circuits imprimés design? Ces deux questions, we proceed to the next part of the discussion. Qu'est - ce qu'un signal différentiel? In layman's terms, L'extrémité d'entraînement envoie deux signaux égaux et inversés, Le récepteur juge l'état logique « 0» ou « 1» en comparant les différences entre les deux tensions. The pair of traces carrying differential signals is called differential traces.


Les signaux différentiels présentent les avantages les plus évidents par rapport aux signaux à une seule extrémité communs dans les trois domaines suivants:

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a. Strong anti-interference ability, Parce que le couplage entre deux traces différentielles est très bon. When there is noise interference from the outside, Ils sont couplés aux deux lignes presque simultanément, and the receiving end only cares about the difference between the two signals. Alors..., the external common mode noise can be completely canceled.

B. Il peut efficacement inhiber l'IME. Pour la même raison, en raison de la polarité opposée des deux signaux, les champs électromagnétiques qu'ils émettent peuvent s'annuler mutuellement. Comme le montre la figure, le courant en aa 'est de droite à gauche et le courant en BB' de gauche à gauche. Et puis, selon la loi de l'hélice droite, leurs lignes de force magnétique s'annulent. Plus le couplage est serré, plus les Lignes magnétiques s'annulent. Moins d'énergie électromagnétique est libérée dans le monde extérieur.

c. The timing positioning is accurate. Parce que le changement de commutateur du signal différentiel est à l'intersection des deux signaux, Contrairement aux signaux simples ordinaires, which depends on the high and low threshold voltages to determine, Moins affecté par le processus et la température, which can reduce the error in the timing., Mais aussi pour les circuits de signaux à faible amplitude. The current popular LVDS (low voltage differential signaling) refers to this small amplitude differential signaling technology.


2. Exemple de signal différentiel: LVDS


LVDS (Low Voltage Differential Signaling) is a low-swing current-type differential signal technology, which enables signals to be transmitted on differential Circuits imprimés Paires ou câbles équilibrés à des vitesses de plusieurs centaines de Mbps, L'amplitude de basse tension et la sortie d'entraînement à faible courant sont réalisées pour atteindre l'objectif de faible bruit et de faible consommation d'énergie.. L'entraînement LVDS se compose d'une source de courant qui conduit la paire différentielle. The current is usually 3.5mA). The LVDS receiver has a very high input impedance, Par conséquent, une grande partie du courant de sortie du conducteur passe par une résistance correspondante de 100 ohms et est connectée au récepteur.. L'entrée produit une tension d'environ 350 ma. When the driver flips, Il change la direction du courant à travers la résistance, Il en résulte des états logiques valides « 1» et « 0». The low-swing drive signal realizes high-speed operation and reduces power consumption, Le signal différentiel fournit une oscillation basse tension avec une marge de bruit appropriée et une consommation d'énergie considérablement réduite. Une réduction significative de la puissance permet l'intégration de plusieurs pilotes d'interface et récepteurs sur un circuit intégré. This improves the efficiency of the Circuits imprimés board Et réduit les coûts.

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Regardless of whether the LVDS transmission medium used is a Circuits imprimés Paire de fils ou câble, measures must be taken to prevent the signal from being reflected at the medium terminal and reduce electromagnetic interference at the same time. LVDS requires the use of a termination resistor (100±20Ω) that matches the medium. Cette résistance termine le signal de courant de circulation et doit être aussi proche que possible de l'entrée du récepteur.. The LVDS driver can drive twisted pair at a speed of more than 155.Se déplacer à 5 Mbps sur des distances supérieures à 10 mètres. La limite de vitesse réelle est: 1. The speed of TTL data sent to the drive; 2. Performance de la bande passante des médias.


Usually a multiplexer is used on the driver side and a demultiplexer is used on the receiver side to implement multiplexing conversion of multiple TTL channels and one LVDS channel to increase the signal rate and reduce power consumption. Et réduire le nombre de supports de transmission et d'interfaces, and reduce the complexity of the equipment.


Le récepteur LVDS peut résister à un changement de tension au sol d'au moins ± 1V entre le conducteur et le récepteur. Étant donné que la tension de biais typique du conducteur LVDS est la somme de + 1,2V, des variations de tension au sol, de la tension de biais du conducteur et du bruit de couplage léger, l'entrée du récepteur est une tension en mode commun par rapport au sol du récepteur. La plage de mode commun est de + 0,2v½ž + 2,2v. La plage de tension d'entrée recommandée pour le récepteur est: 0v½ž + 2,4v.


3. Prescriptions relatives au câblage des signaux différentiels:


Pour les ingénieurs en BPC, la principale préoccupation est de s'assurer que ces avantages du câblage différentiel sont pleinement utilisés dans le câblage réel. Peut - être que n'importe qui qui qui a été en contact avec la mise en page comprendra l'exigence générale du câblage différentiel, c'est - à - dire qu'il y a deux points à noter dans le câblage des paires différentielles. L'un est que les deux fils doivent être aussi longs que possible, et la longueur égale est nécessaire pour assurer le timing des deux signaux différentiels. Maintenir la polarité opposée et réduire la composante en mode commun. L'autre est que la distance entre les deux conducteurs, déterminée par l'impédance différentielle, doit rester constante, c'est - à - dire parallèle. Il y a deux façons parallèles, l'une est que deux fils sont côte à côte sur la même ligne, l'autre est que deux fils fonctionnent sur deux couches adjacentes au - dessus et au - dessous (au - dessus et au - dessous). En général, le premier a plus d'implémentations parallèles.


L'équidistance vise principalement à assurer la même impédance différentielle entre les deux et à réduire la réflexion. Les paires différentielles doivent être câblées de manière étanche et parallèle. Ce qu'on appelle l'approche appropriée est parce que la distance affecte la valeur de l'impédance différentielle, un paramètre important dans la conception des paires différentielles. Le parallélisme est également nécessaire pour maintenir la cohérence de l'impédance différentielle. Si les deux lignes se rapprochent soudainement, l'impédance différentielle sera incohérente, ce qui aura une incidence sur l'intégrité du signal et le retard de synchronisation.


Voici le modèle de ligne de transmission différentielle

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Pour faciliter l'analyse, Les paires différentielles sont généralement décrites par leurs impédances de mode impair et pair et leurs retards, and these parts corresponding to its differential mode and common mode are closely related, Donc il peut être calculé à partir de l'équation 1.

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Here Ctot = Cself + Cm. Cself is the capacitance between one line and ground, Cm est la capacité entre deux lignes. Lself et LM sont l'auto - inductance d'une ligne et l'inductance mutuelle entre les deux lignes, Séparément..


L'impédance différentielle est définie comme l'impédance mesurée entre deux conducteurs différentiels. (l'entraînement différentiel signifie que les deux signaux sont exactement les mêmes, mais avec des polarités opposées.) L'impédance différentielle est une impédance analogique impaire. L'impédance en mode impair est l'impédance de la ligne de transmission de l'alignement différentiel lorsque deux conducteurs sont entraînés par la différence [3]. L'impédance en mode pair est l'impédance de deux conducteurs dans une paire différentielle lorsque les deux conducteurs sont mis à la Terre par un signal en mode commun.


En utilisant l'équation 1, nous pouvons obtenir l'impédance différentielle

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Impédance en mode commun

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Mais toutes ces règles n'ont pas été appliquées mécaniquement et de nombreux ingénieurs ne semblent toujours pas comprendre la nature de la transmission de signaux différentiels à grande vitesse. Voici quelques malentendus courants dans la conception des signaux différentiels des BPC.


Mythe 1: on pense que les signaux différentiels n'ont pas besoin d'un plan au sol comme chemin de retour, ou que les traces différentielles fournissent des chemins de retour les unes aux autres. La raison en est qu'ils sont confus par les phénomènes de surface ou que le mécanisme de transmission du signal à grande vitesse n'est pas assez profond. Bien que les circuits différentiels ne soient pas sensibles à des rebonds similaires au sol et à d'autres signaux sonores qui peuvent être présents sur l'alimentation électrique et au sol. L'élimination partielle du retour au niveau du sol ne signifie pas que le circuit différentiel n'utilise pas le plan de référence comme trajectoire de retour du signal. En fait, dans l'analyse du retour du signal, le mécanisme du câblage différentiel est le même que celui du câblage ordinaire à une seule extrémité, c'est - à - dire que les signaux à haute fréquence reviennent toujours le long de la boucle avec la plus faible inductance, la plus grande différence étant que les lignes différentielles sont couplées les unes aux autres en plus du couplage au sol. Quel couplage est fort et lequel devient le chemin de retour principal.


In Circuits imprimésConception des circuits, the coupling between differential traces is generally small, Ne représente généralement que 10 à 20% du degré de couplage, Plus important encore, le couplage avec le sol, so the main return path of the differential trace still exists on the ground plane . Lorsqu'il y a des discontinuités dans le plan local, Le couplage entre les traces différentielles fournira un chemin de retour principal dans les zones sans plan de référence. Bien que les discontinuités du plan de référence aient moins d'effet sur les traces différentielles que les traces simples ordinaires, Il réduit encore la qualité du signal différentiel et augmente l'EMI, Cela devrait être évité autant que possible.. Certains concepteurs croient que dans la transmission différentielle, le plan de référence sous la trace différentielle peut être supprimé pour supprimer certains signaux en mode commun.. Cependant,, Cette approche n'est pas souhaitable en théorie. How to control the impedance? Le défaut de fournir une boucle d'impédance au sol pour un signal en mode commun entraînera in évitablement un rayonnement EMI. Cela fait plus de mal que de bien..


Par conséquent, gardez le chemin de retour du plan sol Circuits imprimés large et court. Dans la mesure du possible, Ne traversez pas les îles (à travers les zones de séparation des sources d'énergie adjacentes ou des niveaux de sol). Par exemple, il est préférable de ne pas traverser les îles pour USB, SATA et PCI Express dans la conception de la carte mère. Assurez - vous qu'il y a un sol complet ou un plan d'alimentation sous ces signaux.


Misunderstanding 2: It is believed that keeping equal spacing is more important than matching line length. En fait, Disposition des Circuits imprimés, Il n'est généralement pas possible de satisfaire simultanément aux exigences de conception différentielle. Due to the existence of factors such as pin distribution, Par trou, and wiring space, Le but de l'appariement de la longueur de ligne doit être atteint par des enroulements appropriés., Mais le résultat doit être que certaines régions des paires de différences ne peuvent pas être parallèles. En fait,, the spacing is unequal. L'étude a eu peu d'impact. En comparaison, the line length mismatch has a much greater impact on the timing. Analyse théorique, although the inconsistent spacing will cause the differential impedance to change, Parce que le couplage entre les paires de différences n'est pas significatif en soi, La plage de variation de l'impédance est également très faible, Généralement à moins de 10%, Ce n'est qu'un passage.. The reflection caused by the hole will not have a significant impact on signal transmission. Une fois que la longueur de la ligne ne correspond pas, Sauf décalage temporel, common mode components are introduced into the differential signal, Cela réduit la qualité du signal et augmente l'EMI.


On peut dire que la règle la plus importante dans la conception est Circuits imprimés differential traces is the matching line length, D'autres règles peuvent être traitées avec souplesse en fonction des exigences de conception et de l'application pratique.. At the same time, Pour compenser la correspondance d'impédance, a matching resistance can be added between the differential line pairs at the receiving end. Sa valeur doit être égale à la valeur d'impédance différentielle. This way the signal quality will be better.


Les deux points suivants sont donc recommandés:


(A) Use terminal resistance to achieve the maximum matching to the differential transmission line, La résistance se situe généralement entre 90 et 130 ., the system also needs this terminal resistance to generate a normal working differential voltage;

Il est préférable d'utiliser des résistances montées en surface avec une précision de 1 à 2% sur la ligne différentielle. Si nécessaire, deux résistances de 50 © peuvent être utilisées avec un condensateur mis à la terre au milieu pour filtrer le mode commun. Le bruit.


En gros, the matching requirements for the CLOCK of the differential signal and the like are equal to within +/- 10 miles..


Mythe 3: le câblage différentiel doit être très proche. L'approche des traces différentielles n'est rien d'autre que d'améliorer leur couplage, ce qui peut non seulement améliorer l'anti - bruit, mais aussi utiliser pleinement la polarité opposée du champ magnétique pour compenser l'interférence électromagnétique externe. Bien que cette approche soit très utile dans la plupart des cas, elle n'est pas absolue. Si nous pouvons nous assurer qu'ils sont complètement à l'abri des interférences externes, nous n'avons pas besoin d'utiliser un couplage fort pour obtenir l'anti - interférence. Et le but de la suppression des interférences électromagnétiques. Comment assurer une bonne isolation et un bon blindage des traces différentielles? L'un des moyens les plus fondamentaux est d'augmenter l'espacement des autres canaux. L'énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. En général, l'interférence entre eux est très faible lorsque l'espacement des lignes dépasse 4 fois la largeur de la ligne. Peut être ignoré. En outre, l'isolement de la couche de mise à la terre peut également jouer un bon rôle de blindage. Cette structure est généralement utilisée dans la conception de Circuits imprimés encapsulés IC à haute fréquence (plus de 10 g). Il s'agit d'une structure CPW qui assure une impédance différentielle stricte. Contrôle (2z0).


Les traces différentielles peuvent également fonctionner dans différentes couches de signal, mais cette méthode n'est généralement pas recommandée parce que les différences d'impédance et de trou à travers les différentes couches détruisent l'effet de la transmission en mode différentiel et introduisent un bruit en mode commun. De plus, si les deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, la capacité des traces différentielles à résister au bruit est réduite, mais le crosstalk n'est pas un problème si une distance appropriée peut être maintenue par rapport aux traces environnantes. L'IME n'est pas un problème grave à la fréquence normale (inférieure à GHz). L'expérience montre que l'atténuation de l'énergie rayonnée à 500 millimètres de la trace différentielle atteint 60 dB à 3 mètres, ce qui est suffisant pour satisfaire aux normes de rayonnement électromagnétique de la FCC, de sorte que les concepteurs n'ont pas à s'inquiéter trop de l'incompatibilité électromagnétique causée par un couplage insuffisant de la ligne différentielle.


4. Eye Diagram


Dans les essais de signaux différentiels, nous rencontrons souvent un élément d'essai appelé Eye Graph, dont beaucoup de concepteurs débutants peuvent avoir entendu parler. Mais il y a encore beaucoup de gens qui ne savent pas comment les cartes oculaires sont générées. Apprendre à observer les yeux est utile pour vos propres tests et débogage. Les diagrammes oculaires sont décrits ci - dessous.


Dans chaque cycle d'horloge, la transmission aura un signal. Cependant, dans le cas d'un débit binaire long (bits), il est difficile de déterminer si le signal est conforme aux spécifications. Pour faciliter l'analyse, si tous les bits de signal peuvent former un diagramme de signal, vous pouvez regarder ceci, puis superposer les diagrammes pour voir s'ils sont conformes aux spécifications. C'est une carte oculaire.

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As shown in the figure below, Supposons que tous les signaux soient déclenchés au bord ascendant de l'horloge. Toutes les formes d'onde des signaux de données sont ensuite extraites à partir du bord ascendant et superposées.. Each such waveform is called a SYMPLE. As shown in the picture (only one waveform is taken out on the picture so that the reader can see it clearly), Ceci forme la première moitié de l'oculaire. Puis retirez - les et Empilez - les ensemble selon le bord inférieur, Et la deuxième moitié de l'oculaire. At the same time, Les formes d'onde des signaux de haut ou de bas niveau forment le haut et le bas de l'oculaire. This forms a standard eye diagram (as shown below). Alors tout ce que vous avez à faire est de le définir dans le diagramme oculaire en fonction des spécifications du signal.

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Of course, L'image suivante montre également CLK, Le signal différentiel série réel ne détecte pas l'horloge sur la ligne de signal.


Prenons un exemple. D'après l'oculaire, la qualité du signal est très mauvaise. En conséquence, la qualité du signal est très mauvaise. Le bord ascendant et le bord descendant sont trop lents, la cohérence est trop faible, le niveau élevé du signal n'est pas suffisant et l'inclinaison est trop grande.

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5. Mesure du signal différentiel.


Connexion d'entrée en général, l'interconnexion entre l'Amplificateur différentiel ou la sonde et la source du signal est la source d'erreur la plus importante. Pour que les entrées correspondent, les deux canaux doivent être aussi identiques que possible. Tout câblage des deux bornes d'entrée doit avoir la même longueur. Si des sondes sont utilisées, elles doivent également être du même type et de la même longueur. Évitez d'utiliser des sondes d'atténuation pour mesurer les signaux à basse fréquence à haute tension en mode commun. Dans des conditions de gain élevé, ces sondes ne peuvent tout simplement pas être utilisées car il est impossible d'équilibrer avec précision leur atténuation. Lorsque l'atténuation est nécessaire pour des applications à haute tension ou à haute fréquence, des sondes passives spéciales conçues spécifiquement pour les amplificateurs différentiels doivent être utilisées. Cette sonde est équipée d'un dispositif permettant de régler avec précision l'atténuation en courant continu et la compensation en courant alternatif. Pour une performance optimale, chaque amplificateur particulier doit avoir un ensemble de sondes dédiées et l'amplificateur doit être étalonné selon la procédure fournie avec cet ensemble de sondes.


Une méthode courante est la torsion par paires + et les câbles d'entrée. Cela réduit la possibilité de capter des interférences de fréquence de ligne et d'autres bruits. Si vous souhaitez saisir une vue, vous devriez consulter le fabricant de l'instrument pour obtenir le logiciel et l'équipement les plus récents. En général, le logiciel et l'appareil sont facturés séparément