SamsPcbGuide Teil 7: Verfolgen von Signalleitungen. Differentialpaare

Dies ist der siebte Artikel in der Reihe und endet in einem Block, der der Verfolgung von Signalleitungen gewidmet ist. Darüber hinaus besteht die Idee, das Projekt weiterzuentwickeln und das Handbuch zum Design von Leiterplatten in Form eines praktischen Buches aufzurufen, damit eine Veröffentlichung möglich ist. es wird eine Pause geben. Der Artikel behandelt ein wichtiges Thema - das Differentialdatenübertragungsschema, das in modernen Systemen immer weiter verbreitet wird, und bietet Empfehlungen für die Verfolgung von Differentialpaaren, um die Vorteile dieses Schemas sicherzustellen.

In der vorherigen wurde gezeigt, dass die Kreuzkopplung zwischen unabhängigen Signalleitungen eine Quelle unerwünschter Interferenzen ist. Im Fall eines Differentialübertragungsschemas macht eine starke Kreuzkopplung das Signal dagegen störungsresistenter. In diesem Schema werden zwei Leitungen verwendet (Differenzpaar), deren Signalquellen gegenphasig sind, und der Empfänger reagiert auf die Spannungsdifferenz auf den Leitungen V _DIFF = V ₊ -V _- (Fig. 1). Das Gleichtaktsignal (englisches Gleichtaktsignal) ist definiert als V _COMM = 1/2 ∙ (V ₊ + V _- ) und kann beispielsweise wie im Gleichtakt-LVDS-Standard ungleich Null sein. Ein Differentialpaar ist durch zwei Widerstände gekennzeichnet:





Die einführende Theorie der differentiellen Signalübertragung ist in vielen Quellen beschrieben, beispielsweise in [1]. Unter dem Gesichtspunkt des Entwurfs von Leiterplatten ist es wichtig, auf die Vorteile einer Differentialschaltung in Bezug auf asymmetrische (englische Single-Ended) und auf die Anforderungen an die Topologie von Differentialpaaren einzugehen, die diese Vorteile bieten.

Zunächst ist ein ideales Differentialpaar symmetrisch, dh es muss über die gesamte Länge seines Querschnitts unverändert sein und eine Symmetrieachse haben (Abb. 2). Dies stellt genau wie im Fall einer asymmetrischen Übertragungsleitung die Konstanz des Wellenwiderstands des Differentialpaars sicher, wodurch die Linienreflexion und Signalverzerrung erheblich reduziert werden.

R.1.

Der Querschnitt eines Differentialpaares sollte über seine gesamte Länge maximal (idealerweise gespiegelt) symmetrisch und gleichmäßig sein. Zwischen den Leitungen eines Paares sollten keine Topologieelemente anderer Signalschaltungen vorhanden sein.

Jede Linie des Differentialpaars entspricht ihrer eigenen Verteilung des Rückstroms in der Referenzschicht. Wenn die gegenseitige Verbindung zwischen den Linien des Paares viel kleiner ist als ihre Verbindung mit der Referenzschicht, schneidet sich die Verteilung der Rückströme nicht (Abb. 3-A). Ein solches Differentialpaar wird als lose gekoppelte Differentialleitung, schwache Kopplung, bezeichnet. Da die Verteilung der Hochfrequenzkomponenten des Signals in der Referenzschicht im Bereich von ± 3 ≤ h konzentriert ist, ist ein praktisches Kriterium für eine schwache Kopplung die Bedingung, dass der Abstand zwischen den Kanten der gedruckten Spuren s> 6 ≤ h oder s> 3 ≤ w ist. Da die Differenzimpedanz eines schwach gekoppelten Paares praktisch unabhängig vom Abstand zwischen den Spuren Z _DIFF ≤ 2 ≤ Z _{0 ist} , kann dieser Abstand entlang der Leitungslänge variieren, beispielsweise wenn sich ein Hindernis im Weg des Differentialpaars befindet. Dies vereinfacht die Anforderungen an die Topologie des Differentialpaares, jedoch fehlen solchen Leitungen die Hauptvorteile der Differentialdatenübertragung.


Die Verringerung des Abstands zwischen den Leitungen auf s ≤ 2 ∙ h führt zu einer signifikanten Zunahme der gegenseitigen Kopplung und überlappenden Verteilungen der Rückströme in der Referenzschicht (Abb. 3-B). Ein solches Differentialpaar wird als eng gekoppeltes Differentialleitungsdifferentialpaar bezeichnet. Die Differenzimpedanz hängt stärker vom Abstand zwischen den Spuren ab. Sein Wert nimmt daher ab, um den vorherigen Wert beizubehalten. Es sind engere Spuren erforderlich, was die ohmschen Verluste geringfügig erhöht. Genau diese Topologie des Differentialpaars bietet jedoch folgende Vorteile gegenüber der asymmetrischen Linie:

1. Höhere Stabilität des Differenzsignals gegenüber induziertem Rauschen, einschließlich Übersprechen und Interferenz in der Referenzschicht. Die enge Anordnung und Symmetrie der Leitungen führt dazu, dass das induzierte Rauschen auf jeder der Leitungen praktisch gleich V _NOISE ⁺ ≈V _{NOISE ist} ^- daher ist die Differenzinterferenz gering. V _NOISE ^DIFF = V _NOISE ⁺ -V _NOISE ^- ≈0. Diese Störung ist umso geringer, je weiter das Differentialpaar von seiner Quelle entfernt ist.
2. Senken Sie EMR und Übersprechen. Da die V _{+ -} und V _- -Signale gegenphasig sind, sind die von ihnen emittierten elektromagnetischen Felder ungefähr gleich groß und haben entgegengesetzte Richtungen zueinander. Dies führt dazu, dass die Überlagerung von Feldern im Fernfeld gegen Null tendiert. Der gleiche Effekt reduziert das vom Differentialpaar im Nahfeld erzeugte Übersprechen erheblich.
3. Weniger Einfluss von Rissen in der Trägerschicht. Die Rückströme I ₊ und I _{- sind} ebenfalls gegenphasig und aufgrund der geometrischen Symmetrie ihrer Verteilung in der Referenzschicht symmetrisch. In dieser Hinsicht nimmt der Gesamtstrom in der Referenzschicht I _REF = I ₊ + I _- ab und wird im Überlappungsbereich gleich Null. Bei vollständiger Überlappung gibt es keinen Strom in der Referenzschicht, wenn sich das Differentialpaar in einem Abstand von der Referenzschicht h> 2 ∙ (s + w) befindet und die gegenseitige Verbindung der Linien ihre Verbindung mit der Referenzschicht erheblich übersteigt (Abb. 3-B). Eine solche Situation kann insbesondere dann auftreten, wenn ein Differentialpaar eine große Lücke in der Trägerschicht überquert. Trotz der Tatsache, dass sich die Impedanz am Schnittpunkt lokal ändert, ist die Verzerrung des Differenzsignals im Vergleich zur Verzerrung des asymmetrischen Signals in diesem Fall gering [1].

Diese Vorteile sollten als potenzielle Vorteile bezeichnet werden, da sie nur dann vollständig realisiert werden, wenn zwei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

1. strenge gegenphasige Signale in der gesamten Leitung,
2. Fehlen von Gleichtaktsignalstörungen.

Wenn Sie die Unvollkommenheit der Signalquelle nicht berücksichtigen, wird die Erfüllung der ersten Anforderung sichergestellt, indem die Empfehlung R.1 beachtet und sowohl Differenz- als auch Gleichtaktsignale auf der Lastseite abgeglichen werden. In der Praxis ist es jedoch aufgrund der durch die Position und Geometrie der Kontaktflächen der Komponenten und Durchkontaktierungen auferlegten Einschränkungen, der Notwendigkeit von Rotationen, der strengen Konstanz des Querschnitts des Differentialpaars schwierig zu implementieren, was sich auch in dem Unterschied in den Längen der Paarlinien widerspiegelt. Der Längenunterschied des Paares führt zu einer Phasenverschiebung, die das Differenzsignal verzerrt und ein Interferenz-Gleichtaktsignal erzeugt (Abb. 4).



Eine übliche Praxis zum Ausrichten von Linienlängen (englische Längenanpassung, Abstimmung) besteht darin, die Länge der kürzeren Linien aufgrund zusätzlicher Biegungen zu erhöhen, die eine regelmäßige Struktur bilden können (Abb. 5). Offensichtlich ändert dies unvermeidlich den Abstand zwischen den Linien des Paares. Dies führt wiederum zu einer lokalen Änderung der Impedanz des Paares und dem Auftreten von Reflexionen. In einem der Artikel vertritt D. Brooks die Ansicht, dass das Problem der Ausrichtung der Paarleitungslängen unter dem Gesichtspunkt der Signalintegrität und der EMV von größerer Bedeutung ist. Und die Wahl der Geometrie der Biegungen ist nicht kritisch, mit der Maßgabe, dass lange und schmale Biegungen nicht empfohlen werden, da sie aufgrund der starken gegenseitigen Verbindung der Abschnitte zu Verzerrungen führen können. Diese These ist jedoch keine universelle Regel. Tatsache ist, dass es auch eine fortgeschrittenere Technik zum Ausrichten von Linienlängen gibt, die darin besteht, gleichzeitig die Impedanz eines Paares an Stellen von Biegungen aufrechtzuerhalten (aufgrund von Änderungen der Linienbreiten, der Verwendung lokaler Ausschnitte in der Referenzschicht usw.). Die Konstruktion einer solchen Ausrichtungsgeometrie ist jedoch eine ziemlich komplizierte Aufgabe, die die Verwendung spezieller CAD-Systeme erfordert und nur für Gigahertz-Signalleitungen gerechtfertigt ist. Eine weitere Option ist eine lokale Vergrößerung des Abstands zwischen den Linien des Paares und der Ausrichtung aufgrund von Biegungen auf einer der Linien. Mit anderen Worten, die Implementierung eines lokalen Übergangs zu einem Differentialpaar mit einer schwachen Kopplung, bei dem die Impedanz nicht so sehr vom Abstand zwischen den Linien abhängt (der an den Stellen der Biegungen beobachtet wird). Beispiele und detailliertere Informationen zu diesen Techniken finden Sie in dem Material, das auf der Website von Simberian, Inc. vorgestellt wird.



Ein Kriterium für einen ausreichenden Grad an Gleichheit der Linienlängen ist in [1] angegeben: „Die Linienlängen eines Differentialpaars müssen mit einer Genauigkeit von ∆L <0,1 ∙ t _R ∙ v miteinander ausgerichtet sein. Es wird empfohlen, dass sich der Ausrichtungsbereich in dem Teil des Differentialpaars befindet, in dem die Symmetrie bereits unterbrochen ist (z. B. durch die Position der Mikroschaltungsstifte). “ In Analogie zu asymmetrischen Linien ist der Einfluss der lokalen Heterogenität der Differenzimpedanz umso geringer, je kürzer die elektrische Länge des Ausrichtungsabschnitts im Vergleich zur Signalfrontdauer ist.

Die Aufgabe wird durch die Tatsache erschwert, dass die Ausrichtung nur für die Streifenlinie gut funktioniert, für die die Ausbreitungsgeschwindigkeit der In-Phase- und Differenzsignale gleich ist. Bei einer Mikrostreifenleitung stellt selbst eine perfekte Ausrichtung der Paarleitungslängen nicht sicher, dass keine Verzerrungen auftreten, sondern ist nur eine Methode, um diese zu reduzieren. Da die Streifenleitung jedoch einen Übergang zu den inneren Schichten unter Verwendung von Durchkontaktierungen erfordert, die selbst heterogen sind, kann nicht eindeutig gesagt werden, dass die Mikrostreifenleitung keine Vorteile hat. Natürlich nimmt die Bedeutung dieser Effekte mit zunehmender Obergrenze des Signalfrequenzbandes zu. Und wenn bei Frequenzen unter 1 GHz die Entzerrung ein geringes Maß an Verzerrung liefert, gibt es im Bereich von mehreren Gigahertz und darüber keine universellen Empfehlungen, und das Spurenproblem wird durch Modellierung für jeden speziellen Fall gelöst.

Gleichtaktsignalstörungen können sowohl im Differentialpaar selbst aufgrund einer Asymmetrie auftreten als auch durch andere Signalleitungen induziert werden. Es ist jedoch unmöglich, Verzerrungen auszuschließen, indem die Linie angepasst wird, wodurch das Auftreten wiederholter Reflexionen und Schwingungen verhindert wird. Ihre Folgen können minimiert werden. Die Hauptmethoden zum Anpassen des Differentialpaars am fernen Ende sind in Tabelle 1 dargestellt. Eine Schaltung ohne Gleichtaktsignalanpassung ist einfach und wird daher häufig verwendet. Wenn jedoch Gleichtaktstörungen in den Leitungen vorliegen, ist Einfachheit ein potentielles Problem. Im Gegensatz zu einem Differenzsignal ist ein Gleichtaktsignal eine gute Quelle für elektromagnetische Strahlung. Insbesondere Gleichtaktstörungen werden kritisch, wenn ein ungeschirmtes Twisted Pair für die Signalübertragung verwendet wird. Daher wird empfohlen, abgeschirmte Twisted Pair- und Gleichtaktdrosseln am Ausgang zu verwenden.

Tabelle 1. Methoden zur Anpassung der Signalleitung.

Titel und Schema	Verlustrate	Kommentare
	niedrig
	hoch
	hoch
	Durchschnitt

Anmerkungen:

1. Bei der Berechnung der Werte der Anpassungswiderstände ist es zweckmäßig, die Impedanzwerte der _{Betriebsarten Gerade} Z _EVEN (gerader _gerader Modus) und ungerader Z _ODD (dt. Ungerader Modus) des Differentialpaars zu verwenden. Per Definition sind dies die Impedanzwerte einer der Leitungen in speziellen Betriebsarten, wenn das Signal während der Ausbreitung im Differentialpaar nicht verzerrt ist. Im Fall eines symmetrischen Differentialpaars sind dies gleiche Signale V ₊ = V für den geraden Modus und gegenphasige Signale V ₊ = –V für den ungeraden Modus. Darüber hinaus sind sie den Werten der charakteristischen Impedanzen des Differentialpaars durch die folgenden Beziehungen zugeordnet: Z _DIFF = 2 _≤ Z _ODD, Z _COMM = 1/2 _≤ Z _EVEN .

2. Für ein Differentialpaar mit schwacher gegenseitiger Kopplung degenerieren Z _{ODD ≤} Z _{EVEN ≤} Z ₀ und T-förmige Anpassungsschemata zu einer parallelen Anpassungsschaltung für jede der Leitungen.

Eine Differentialschaltung hat viele relativ asymmetrische Vorteile und ist von grundlegender Bedeutung für zuverlässige und schnelle Datenübertragungsstandards, einschließlich Systeme mit einer großen Anzahl von Knoten. Mit der Fortsetzung des Wachstumstrends der Taktfrequenzen werden sich Entwickler zunehmend mit der Verfolgung von Differentialpaaren befassen müssen. Daher ist diese Kompetenz strategisch wichtig und sollte nicht nur auf allgemeinen Empfehlungen beruhen, sondern durch Simulationsergebnisse in speziellen CAD- und experimentellen Daten unterstützt werden.

Literatur

[1] Bogatin E. "Signal- und Leistungsintegrität - vereinfacht", 2. Auflage, Pearson, 2010

Der Artikel wurde erstmals in der Zeitschrift Components and Technologies 2018, Nr. 5 veröffentlicht. Die Veröffentlichung auf Habr wurde mit den Herausgebern der Zeitschrift vereinbart.

PS

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