هذه هي المقالة السابعة في السلسلة وتختتم في كتلة مخصصة لتتبع خطوط الإشارة. علاوة على ذلك ، هناك فكرة لتطوير المشروع والذهاب إلى دليل تصميم لوحات الدوائر المطبوعة في شكل كتاب مناسب ، لذلك يمكن النشر. سيكون هناك وقفة. تناقش المقالة موضوعًا مهمًا - مخطط نقل البيانات التفاضلي ، الذي أصبح أكثر انتشارًا في الأنظمة الحديثة ، ويقدم توصيات لتتبع الأزواج التفاضلية ، مما يسمح بضمان مزايا هذا المخطط.
في
السابق ، تبين أن الاقتران المتقاطع بين خطوط الإشارة المستقلة هو مصدر للتداخل غير المرغوب فيه. ومع ذلك ، في حالة مخطط الإرسال التفاضلي ، فإن الاقتران المتقاطع القوي ، على النقيض من ذلك ، يجعل الإشارة أكثر مقاومة للتداخل. في هذا المخطط ، يتم استخدام خطين (الزوج التفاضلي) ، حيث تكون مصادر الإشارة في الطور المضاد ، ويستجيب جهاز الاستقبال لفرق الجهد على الخطوط V
DIFF = V
+ -V
- (الشكل 1). يتم تعريف إشارة الوضع العام (إشارة مشتركة باللغة الإنجليزية) على أنها V
COMM = 1/2 ∙ (V
+ + V
- ) ويمكن أن تكون غير صفرية ، على سبيل المثال ، كما هو الحال في معيار LVDS المشترك. يتميز الزوج التفاضلي بمقاومتين:
تم وصف النظرية التمهيدية للإشارة التفاضلية في العديد من المصادر ، على سبيل المثال ، في [1]. من وجهة نظر تصميم لوحات الدوائر المطبوعة ، من المهم الخوض في مزايا الدوائر التفاضلية فيما يتعلق بالتماثل (الإنجليزية أحادية الطرف) ومتطلبات طوبولوجيا الأزواج التفاضلية ، التي توفر هذه المزايا.
بادئ ذي بدء ، الزوج التفاضلي المثالي متماثل ، أي على طول المقطع العرضي الخاص به يجب أن يكون بدون تغيير وله محور التماثل (الشكل 2). هذا ، تمامًا كما هو الحال في خط النقل غير المتماثل ، يضمن ثبات مقاومة الموجة للزوج التفاضلي ، مما يقلل بشكل كبير من انعكاس الخط وتشويه الإشارة.
R.1.
يجب أن يكون المقطع العرضي للزوج التفاضلي متناسقًا وموحدًا إلى أقصى حد (طوله مثاليًا). بين سطور الزوج يجب ألا يكون هناك عناصر طوبولوجيا لدوائر الإشارة الأخرى.
يتوافق كل سطر في الزوج التفاضلي مع توزيعه الخاص لتيار العودة في الطبقة المرجعية. إذا كان الاتصال المتبادل بين خطوط الزوج أصغر بكثير من اتصالهم بالطبقة المرجعية ، فإن تقاطع العائد لا يتقاطع (الشكل 3-أ). يسمى هذا الزوج التفاضلي بخط تفاضلي مقرون بشكل فضفاض ، اقتران ضعيف. بما أن توزيع مكونات التردد العالي للإشارة يتركز في الطبقة المرجعية في منطقة ± 3 ∙ h ، فإن المعيار العملي للاقتران الضعيف هو شرط أن تكون المسافة بين حواف المسارات المطبوعة هي s> 6 ∙ h أو s> 3 ∙ w. نظرًا لأن الممانعة التفاضلية لزوج مزدوج التوصيل مستقل عمليا عن المسافة بين المسارات Z DIFF ≈2 ∙ Z
0 ، يمكن أن تختلف هذه المسافة على طول الخط ، على سبيل المثال ، إذا كانت هناك عقبة في مسار الزوج التفاضلي. هذا يبسط متطلبات طوبولوجيا الزوج التفاضلي ، ومع ذلك ، فإن هذه الخطوط تفتقر إلى المزايا الرئيسية لنقل البيانات التفاضلية.
يؤدي تقليل المسافة بين الخطوط إلى s≤2 ∙ h إلى زيادة كبيرة في الاقتران المتبادل والتوزيعات المتداخلة لتيارات العودة في الطبقة المرجعية (الشكل 3-ب). يسمى هذا الزوج التفاضلي زوج تفاضلي للخط التفاضلي المقترن بإحكام. تصبح الممانعة التفاضلية أكثر اعتمادًا على المسافة بين المسارات. وبالتالي ، تقل قيمته للحفاظ على القيمة السابقة ، هناك حاجة إلى مسارات أضيق ، مما يزيد قليلاً من الخسائر الأومية. ومع ذلك ، فإن طوبولوجيا الزوج التفاضلي هي التي توفر المزايا التالية فيما يتعلق بالخط غير المتماثل:
- استقرار أكبر للإشارة التفاضلية للضوضاء المستحثة ، بما في ذلك الحديث المتبادل والتداخل في الطبقة المرجعية. يؤدي الترتيب والتماثل الوثيق للخطوط إلى حقيقة أن الضوضاء المستحثة على كل من الخطوط تساوي عمليا V NOISE + ≈V NOISE - وبالتالي ، فإن التداخل التفاضلي صغير V NOISE DIFF = V NOISE + -V NOISE - ≈0. هذا التداخل أقل ، كلما كان مصدره أبعد من الزوج التفاضلي.
- EMR أقل والتشويش. نظرًا لأن الإشارات V + و V في الطور المضاد ، فإن الحقول الكهرومغناطيسية المنبعثة منها متساوية في الحجم تقريبًا ولها اتجاهات متعاكسة مع بعضها البعض. هذا يؤدي إلى حقيقة أن تراكب الحقول في المجال البعيد يميل إلى الصفر. يقلل التأثير نفسه بشكل كبير من الحديث المتبادل الناتج عن الزوج التفاضلي في المجال القريب.
- تأثير أقل للدموع في طبقة الدعم. تيارات العودة I + و I - هي أيضًا في الطور المضاد ، وبسبب التناظر الهندسي لتوزيعها في الطبقة المرجعية متناظرة. في هذا الصدد ، ينخفض إجمالي التيار في الطبقة المرجعية I REF = I + + I - وفي منطقة التداخل يصبح مساوياً للصفر. في حالة التداخل الكامل ، عندما يقع الزوج التفاضلي على مسافة من الطبقة المرجعية h> 2 ∙ (s + w) ويفوق الاتصال المتبادل للخطوط اتصالها بالطبقة المرجعية بشكل كبير ، لا يوجد تيار في الطبقة المرجعية (الشكل 3-ب). قد تنشأ مثل هذه الحالة ، على وجه الخصوص ، عندما يعبر زوج تفاضلي فجوة واسعة في طبقة الدعم. على الرغم من حقيقة أن الممانعة عند التقاطع تخضع لتغيير محلي ، فإن تشويه الإشارة التفاضلية صغير مقارنة بتشويه الإشارة غير المتماثلة في هذه الحالة [1].
يجب أن تسمى هذه الفوائد الفوائد المحتملة ، لأنها لا تتحقق بالكامل إلا إذا تم استيفاء شرطين في وقت واحد:
- إشارات صارمة مضادة للطور في جميع أنحاء الخط ،
- عدم وجود تداخل إشارة الوضع المشترك.
إذا كنت لا تأخذ في الاعتبار النقص في مصدر الإشارة ، فإن تحقيق الشرط الأول يتم ضمانه من خلال مراقبة التوصية R.1 ومطابقة كل من إشارات الوضع التفاضلي والشائع على جانب الحمل. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، نظرًا للقيود التي يفرضها موقع وشكل وسادات الاتصال للمكونات والأوعية ، والحاجة إلى التدوير ، فإن الثبات الصارم للمقطع العرضي للزوج التفاضلي يصعب تنفيذه ، وهو ما ينعكس أيضًا في الفرق في أطوال خطوط الزوج. يؤدي الفرق في أطوال الزوج إلى تحول طوري ، مما يشوه الإشارة التفاضلية ويخلق إشارة الوضع المشترك للتداخل (الشكل 4).
من الممارسات الشائعة لمحاذاة أطوال الخطوط (مطابقة طول اللغة الإنجليزية ، الضبط) زيادة طول الخطوط الأقصر بسبب الانحناءات الإضافية التي يمكن أن تشكل بنية منتظمة (الشكل 5). من الواضح أن هذا يغير حتمًا المسافة بين خطوط الزوج. وهذا بدوره يؤدي إلى تغيير محلي في معاوقة الزوج وظهور الانعكاسات. في
إحدى المقالات ، يعبر D. Brooks عن رأي مفاده أن مشكلة محاذاة أطوال خط الزوج لها أهمية أكبر من وجهة نظر سلامة الإشارة و EMC. ولا يعد اختيار هندسة الانحناءات أمرًا بالغ الأهمية ، بشرط عدم التوصية بالانحناءات الطويلة والضيقة ، لأنها يمكن أن تؤدي إلى تشوهات بسبب الارتباط المتبادل القوي للأقسام. ومع ذلك ، هذه الأطروحة ليست قاعدة عالمية. والحقيقة هي أن هناك أيضًا تقنية أكثر تقدمًا لمحاذاة أطوال الخط ، والتي تتكون في نفس الوقت من الحفاظ على معاوقة الزوج في أماكن الانحناءات (بسبب التغيرات في عرض الخط ، واستخدام القواطع المحلية في الطبقة المرجعية ، وما إلى ذلك). ومع ذلك ، فإن بناء هندسة المحاذاة هذه مهمة معقدة إلى حد ما ، وتتطلب استخدام أنظمة CAD المتخصصة ، ومبررة فقط لخطوط إشارة جيجا هرتز. خيار آخر هو زيادة محلية في المسافة بين خطوط الزوج والمحاذاة بسبب الانحناءات على أحد الخطوط. وبعبارة أخرى ، فإن تنفيذ الانتقال المحلي إلى زوج تفاضلي مع اقتران ضعيف ، والذي لا تعتمد الممانعة عليه كثيرًا على المسافة بين السطور (التي تتم ملاحظتها في أماكن الانحناءات). يمكن العثور على أمثلة ومعلومات أكثر تفصيلاً حول هذه التقنيات في المواد المقدمة على موقع Simberian، Inc.
تم إعطاء معيار لدرجة كافية من المساواة في أطوال الخط في [1]: "يجب محاذاة أطوال خطوط الزوج التفاضلي مع بعضها البعض بدقة ∆L <0.1 ∙ t
R ∙ v. يوصى بوضع منطقة المحاذاة في ذلك الجزء من الزوج التفاضلي حيث يكون التماثل مكسورًا بالفعل (على سبيل المثال ، من خلال موقع دبابيس الدائرة المصغرة). " من خلال القياس مع الخطوط غير المتماثلة ، يكون تأثير التجانس المحلي للممانعة التفاضلية أقل ، وكلما كان الطول الكهربائي لقسم المحاذاة أقصر مقارنة بالمدة الأمامية للإشارة.
تتعقد المهمة من خلال حقيقة أن المحاذاة تعمل بشكل جيد فقط لخط الشريط ، حيث تتساوى سرعة انتشار الإشارات التفاضلية في الطور والتفاضلية. بالنسبة لخط microstrip ، حتى المحاذاة المثالية لأطوال خط الزوج لا تضمن عدم وجود تشوهات ، ولكنها فقط طريقة لتقليلها. ولكن بما أن خط الشريط يتطلب الانتقال إلى الطبقات الداخلية باستخدام الأوعية ، والتي هي نفسها غير متجانسة ، فلا يمكن القول بشكل لا لبس فيه أن خط microstrip ليس له مزايا. بالطبع ، تزداد أهمية هذه التأثيرات مع زيادة الحد الأعلى لنطاق تردد الإشارة. وإذا كانت الترددات أقل من 1 غيغاهرتز ، فإن المعادلة توفر مستوى منخفضًا من التشويه ، فلا توجد توصيات عامة في منطقة عدة غيغاهرتز وما فوقها ويتم حل مشكلة التتبع عن طريق النمذجة لكل حالة محددة.
يمكن أن يحدث تداخل إشارة الوضع المشترك في الزوج التفاضلي نفسه بسبب أي عدم تماثل ، ويمكن أيضًا استحثاثه من خطوط الإشارة الأخرى. من المستحيل استبعاد التشوهات ، ومع ذلك ، من خلال مطابقة الخط ، الذي يمنع حدوث الانعكاسات والتذبذبات المتكررة ، يمكن تقليل عواقبها. يتم عرض الطرق الرئيسية لمطابقة الزوج التفاضلي في الطرف البعيد في الجدول 1. الدائرة بدون مطابقة إشارة الوضع المشترك بسيطة وبالتالي تستخدم في كثير من الأحيان ، ومع ذلك ، إذا كان هناك تداخل في الوضع المشترك في الخطوط ، فإن البساطة مشكلة محتملة. على عكس الإشارة التفاضلية ، تعد إشارة الوضع المشترك مصدرًا جيدًا للإشعاع الكهرومغناطيسي. يصبح التداخل في الوضع الشائع بشكل خاص أمرًا بالغ الأهمية عند استخدام زوج ملتوي غير محمي لنقل الإشارة ، لذلك يوصى باستخدام زوج ملتوي محمي وخانق الوضع المشترك عند الإخراج.
الجدول 1. طرق مطابقة خط الإشارة.
| العنوان والمخطط | معدل الخسارة | التعليقات |
|---|
 | منخفض |  |
 | عالية |  |
 | عالية | |
 | متوسط |  |
ملاحظات:
1. عند حساب قيم المقاومات المطابقة ، من الملائم استخدام قيم المعاوقة للأوضاع الزوجية Z
EVEN (الوضع
الهندسي الزوجي )
والأسلوب الغريب
ZDD (الوضع الهندسي الغريب) لتشغيل الزوج التفاضلي. بحكم التعريف ، هذه هي قيم معاوقة أحد الخطوط في أوضاع التشغيل الخاصة عندما لا يتم تشويه الإشارة أثناء الانتشار في الزوج التفاضلي. في حالة الزوج التفاضلي المتماثل ، هذه إشارات متساوية V
+ = V للوضع الزوجي وإشارات الطور المضاد V
+ = –V للأسلوب الفردي. علاوة على ذلك ، فهي مرتبطة بقيم المعاوقة المميزة للزوج التفاضلي بالعلاقات التالية: Z
DIFF = 2 ∙ Z
ODD ، Z
COMM = 1/2 ∙ Z
EVEN .
2. بالنسبة للزوج التفاضلي مع الاقتران المتبادل الضعيف ، تتدهور مخططات المطابقة على شكل حرف T.
تتمتع الدائرة التفاضلية بالعديد من المزايا غير المتماثلة نسبيًا وهي أساسية لمعايير نقل البيانات الموثوقة وعالية السرعة ، بما في ذلك الأنظمة التي تحتوي على عدد كبير من العقد. مع استمرار اتجاه نمو ترددات الساعة ، سيتعين على المطورين بشكل متزايد التعامل مع تتبع الأزواج التفاضلية ، وبالتالي فإن هذه الكفاءة ذات أهمية استراتيجية ولا يجب أن تستند فقط إلى التوصيات العامة ، ولكن يجب أن تكون مدعومة بنتائج المحاكاة في أنظمة CAD المتخصصة والبيانات التجريبية.
الأدب
[1] بوغاتين إي. "سلامة الإشارة والقوة - مبسطة" ، الطبعة الثانية ، بيرسون ، 2010
نُشر المقال لأول مرة في دورية Components and Technologies 2018، No. 5. تم الاتفاق على تحرير هبر مع محرري المجلة.ملاحظة
مرة أخرى ، أناشد القراء ، الذين كان عددهم أقل بعد الانتقال من Geektimes ، للحصول على تعليقات يمكن التعبير عنها في التعليقات ، في الرسائل الخاصة ، كما تريد. هذا ينطبق على هذه المقالة وجميع ما سبق. أود عمل دليل مرجعي ملائم رائع ، يبدأ فيه شخص بنجاح في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة بأخطاء أقل ، ويتعمق شخص ما ويحسن من جودته. انضم إلينا وانتقد بشكل بناء وساهم في تطوير الصناعة.