SamsPcbGuide Partie 7: Traçage des lignes de signal Paires différentielles

Il s'agit du septième article de la série et se termine par un bloc consacré au traçage des lignes de signal. De plus, il y a une idée pour développer le projet et aller au manuel sur la conception des cartes de circuits imprimés sous la forme d'un livre pratique, donc la publication est possible. il y aura une pause. L'article aborde un sujet important - le schéma de transmission de données différentielles, qui se généralise dans les systèmes modernes, et propose des recommandations pour le traçage des paires différentielles, ce qui permet de garantir les avantages de ce schéma.

Dans la précédente , il a été montré que le couplage croisé entre des lignes de signaux indépendantes est une source d'interférences indésirables. Cependant, dans le cas d'un schéma de transmission différentielle, un fort couplage croisé, en revanche, rend le signal plus résistant aux interférences. Dans ce schéma, deux lignes sont utilisées (paire différentielle), dont les sources de signal sont en antiphase, et le récepteur répond à la différence de tension sur les lignes V _DIFF = V ₊ -V _- (Fig.1). Le signal en mode commun (signal commun anglais) est défini comme V _COMM = 1/2 ∙ (V ₊ + V _- ) et peut être différent de zéro, par exemple, comme dans la norme LVDS commune. Une paire différentielle est caractérisée par deux résistances:





La théorie introductive de la signalisation différentielle est décrite dans de nombreuses sources, par exemple dans [1]. Du point de vue de la conception des cartes de circuits imprimés, il est important de s'attarder sur les avantages d'un circuit différentiel par rapport à l'asymétrique (asymétrique en anglais) et sur les exigences de topologie des paires différentielles, qui offrent ces avantages.

Tout d'abord, une paire différentielle idéale est symétrique, c'est-à-dire que sur toute la longueur de sa section doit être inchangée et avoir un axe de symétrie (Fig.2). Ceci, tout comme dans le cas d'une ligne de transmission asymétrique, garantit la constance de la résistance aux ondes de la paire différentielle, ce qui réduit considérablement la réflexion de la ligne et la distorsion du signal.

R.1.

La section transversale d'une paire différentielle doit être au maximum (idéalement en miroir) symétrique et uniforme sur toute sa longueur. Entre les lignes d'une paire, il ne devrait pas y avoir d'éléments de topologie d'autres circuits de signaux.

Chaque ligne de la paire différentielle correspond à sa propre distribution du courant de retour dans la couche de référence. Si la connexion mutuelle entre les lignes de la paire est beaucoup plus petite que leur connexion avec la couche de référence, alors la distribution des courants de retour ne se coupe pas (Fig. 3-A). Une telle paire différentielle est appelée ligne différentielle à couplage lâche, couplage faible. Comme la distribution des composantes haute fréquence du signal est concentrée dans la couche de référence dans la région de ± 3 ∙ h, un critère pratique pour un faible couplage est la condition que la distance entre les bords des pistes imprimées soit s> 6 ∙ h ou s> 3 ∙ w. Étant donné que l'impédance différentielle d'une paire faiblement couplée est pratiquement indépendante de la distance entre les pistes Z _DIFF ≈2 ∙ Z ₀ , cette distance peut varier le long de la ligne, par exemple, s'il y a un obstacle sur le chemin de la paire différentielle. Cela simplifie les exigences pour la topologie de la paire différentielle, cependant, ces lignes n'ont pas les principaux avantages de la transmission de données différentielles.


La réduction de la distance entre les lignes à s≤2 ∙ h entraîne une augmentation significative du couplage mutuel et des distributions de chevauchement des courants de retour dans la couche de référence (Fig. 3-B). Une telle paire différentielle est appelée paire différentielle de ligne différentielle étroitement couplée. L'impédance différentielle devient plus dépendante de la distance entre les pistes. Sa valeur diminue donc pour maintenir la valeur précédente, des pistes plus étroites sont nécessaires, ce qui augmente légèrement les pertes ohmiques. Or, c'est précisément cette topologie de la paire différentielle qui offre les avantages suivants par rapport à la droite asymétrique:

1. Plus grande stabilité du signal différentiel au bruit induit, y compris la diaphonie et les interférences dans la couche de référence. La disposition et la symétrie étroites des lignes conduisent au fait que le bruit induit sur chacune des lignes est pratiquement égal à V _NOISE ⁺ ≈V _NOISE ^- , par conséquent, l'interférence différentielle est faible V _NOISE ^DIFF = V _NOISE ⁺ -V _NOISE ^- ≈0. Cette interférence est moindre, plus la paire différentielle est éloignée de sa source.
2. DME et diaphonie inférieurs. Étant donné que les signaux V ₊ et V _- sont en antiphase, les champs électromagnétiques qu'ils émettent sont approximativement de même amplitude et ont des directions opposées. Cela conduit au fait que la superposition de champs dans le champ lointain tend vers zéro. Le même effet réduit considérablement la diaphonie générée par la paire différentielle dans le champ proche.
3. Moins d'influence des déchirures dans la couche de support. Les courants de retour I ₊ et I _{- sont} également en antiphase, et en raison de la symétrie géométrique de leur distribution dans la couche de référence sont symétriques. À cet égard, le courant total dans la couche de référence I _REF = I ₊ + I _- diminue et dans la région de chevauchement, il devient égal à zéro. En cas de chevauchement complet, lorsque la paire différentielle est située à distance de la couche de référence h> 2 ∙ (s + w) et que la connexion mutuelle des lignes dépasse considérablement leur connexion avec la couche de référence, il n'y a pas de courant dans la couche de référence (Fig.3-B). Une telle situation peut se produire, en particulier, lorsqu'une paire différentielle traverse un large intervalle dans la couche de support. Malgré le fait que l'impédance à l'intersection subit un changement local, la distorsion du signal différentiel est faible par rapport à la distorsion du signal asymétrique dans ce cas [1].

Ces avantages doivent être appelés avantages potentiels, car ils ne sont pleinement réalisés que si deux conditions sont remplies simultanément:

1. signaux antiphasiques stricts sur toute la ligne,
2. absence d'interférence de signal en mode commun.

Si vous ne tenez pas compte de l'imperfection de la source du signal, la satisfaction de la première exigence est assurée en respectant la recommandation R.1 et en faisant correspondre les signaux en mode différentiel et commun côté charge. Cependant, en pratique, en raison des restrictions imposées par l'emplacement et la géométrie des plots de contact des composants et des vias, le besoin de rotations, la stricte constance de la section transversale de la paire différentielle est difficile à mettre en œuvre, ce qui se reflète également dans la différence de longueur des lignes de paire. La différence des longueurs de la paire entraîne un déphasage, déformant le signal différentiel et créant un signal de mode commun d'interférence (Fig. 4).



Une pratique courante pour aligner les longueurs de ligne (correspondance de longueur en anglais, réglage) consiste à augmenter la longueur des lignes plus courtes en raison de plis supplémentaires qui peuvent former une structure régulière (Fig. 5). Évidemment, cela change inévitablement la distance entre les lignes de la paire. Cela entraîne à son tour un changement local de l'impédance de la paire et l'apparition de réflexions. Dans l' un des articles , D. Brooks exprime l'opinion que le problème de l'alignement des longueurs de ligne de paire est d'une plus grande importance du point de vue de l'intégrité du signal et de la CEM. Et le choix de la géométrie des coudes n'est pas critique, à condition que les coudes longs et étroits ne soient pas recommandés, car ils peuvent entraîner des distorsions en raison de la forte connexion mutuelle des sections. Cependant, cette thèse n'est pas une règle universelle. Le fait est qu'il existe également une technique plus avancée d'alignement des longueurs de ligne, qui consiste à maintenir simultanément l'impédance d'une paire aux endroits de virages (du fait des changements de largeurs de ligne, de l'utilisation de découpes locales dans la couche de référence, etc.). Cependant, la construction d'une telle géométrie d'alignement est une tâche assez compliquée, nécessitant l'utilisation de systèmes de CAO spécialisés, et n'est justifiée que pour les lignes de signaux gigahertz. Une autre option est une augmentation locale de la distance entre les lignes de la paire et l'alignement dû aux virages sur l'une des lignes. En d'autres termes, la mise en œuvre d'une transition locale vers une paire différentielle avec un couplage faible, dont l'impédance ne dépend pas tellement de la distance entre les lignes (ce qui est observé aux endroits des virages). Des exemples et des informations plus détaillées sur ces techniques peuvent être trouvés dans le matériel présenté sur le site Web de Simberian, Inc.



Un critère pour un degré suffisant d'égalité des longueurs de ligne est donné dans [1]: «Les longueurs de ligne d'une paire différentielle doivent être alignées les unes avec les autres avec une précision de ∆L <0,1 ∙ t _R ∙ v. Il est recommandé que la zone d'alignement soit située dans la partie de la paire différentielle où la symétrie est déjà rompue (par exemple, par l'emplacement des broches du microcircuit). » Par analogie avec les raies asymétriques, l'influence de l'hétérogénéité locale de l'impédance différentielle est moindre, plus la longueur électrique de la section d'alignement est courte par rapport à la durée du front de signal.

La tâche est compliquée par le fait que l'alignement ne fonctionne correctement que pour la ligne de bande, pour laquelle la vitesse de propagation des signaux en phase et différentiels est égale. Pour une ligne microruban, même un alignement parfait des longueurs de ligne paire ne garantit pas l'absence de distorsions, mais seulement une méthode pour les réduire. Mais puisque la ligne de bande nécessite une transition vers les couches internes à l'aide de vias, eux-mêmes hétérogènes, on ne peut pas dire sans équivoque que la ligne de microruban n'a aucun avantage. Bien entendu, l'importance de ces effets augmente avec l'augmentation de la limite supérieure de la bande de fréquence du signal. Et si à des fréquences inférieures à 1 GHz, l'égalisation fournit un faible niveau de distorsion, alors dans la région de plusieurs gigahertz et plus, il n'y a pas de recommandations universelles et le problème de trace est résolu par modélisation pour chaque cas spécifique.

Une interférence de signal en mode commun peut se produire à la fois dans la paire différentielle elle-même en raison de toute asymétrie, et elle peut également être induite par d'autres lignes de signal. Il est impossible d'exclure les distorsions, cependant, en faisant correspondre la ligne, ce qui empêche l'apparition de réflexions et d'oscillations répétées, leurs conséquences peuvent être minimisées. Les principales méthodes d'appariement de la paire différentielle à l'extrémité distante sont présentées dans le tableau 1. Un circuit sans appariement de signal en mode commun est simple et donc souvent utilisé, cependant, s'il y a des interférences en mode commun dans les lignes, la simplicité est un problème potentiel. Contrairement à un signal différentiel, un signal en mode commun est une bonne source de rayonnement électromagnétique. En particulier, les interférences en mode commun deviennent critiques lors de l'utilisation d'une paire torsadée non blindée pour la transmission du signal, il est donc recommandé d'utiliser une paire torsadée blindée et des selfs en mode commun à la sortie.

Tableau 1. Méthodes d'appariement des lignes de signaux.

Titre et schéma	Taux de perte	Commentaires
	faible
	haut
	haut
	moyenne

Remarques:

1. Lors du calcul des valeurs des résistances d'adaptation, il est pratique d'utiliser les valeurs d'impédance des modes de fonctionnement pair Z _EVEN (eng. Mode pair) et impair Z _ODD (eng. Mode impair) de la paire différentielle. Par définition, ce sont les valeurs d'impédance de l'une des lignes dans des modes de fonctionnement spéciaux lorsque le signal pendant la propagation dans la paire différentielle n'est pas déformé. Dans le cas d'une paire différentielle symétrique, il s'agit de signaux égaux V ₊ = V pour le mode pair et de signaux antiphasiques V ₊ = –V pour le mode impair. De plus, ils sont associés aux valeurs des impédances caractéristiques de la paire différentielle par les relations suivantes: Z _DIFF = 2 ∙ Z _ODD , Z _COMM = 1/2 ∙ Z _EVEN .

2. Pour une paire différentielle avec un couplage mutuel faible, les schémas d'adaptation Z _ODD ≈ Z _EVEN ≈ Z ₀ et en forme de T dégénèrent en un circuit d'adaptation parallèle pour chacune des lignes.

Un circuit différentiel présente de nombreux avantages relativement asymétriques et est fondamental pour des normes de transmission de données fiables et à grande vitesse, y compris des systèmes avec un grand nombre de nœuds. Avec la poursuite de la tendance à la croissance des fréquences d'horloge, les développeurs devront de plus en plus gérer le traçage des paires différentielles, donc cette compétence est stratégiquement importante et ne devrait pas seulement être basée sur des recommandations générales, mais devrait être soutenue par des résultats de simulation dans des systèmes de CAO spécialisés et des données expérimentales.

Littérature

[1] Bogatin E. «Intégrité du signal et de la puissance - simplifiée», 2e éd., Pearson, 2010

L'article a été publié pour la première fois dans la revue Components and Technologies 2018, n ° 5. La publication sur Habr a été convenue avec les éditeurs du magazine.

PS

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