Ini adalah artikel ketujuh dalam seri dan diakhiri di blok yang ditujukan untuk melacak garis sinyal. Lebih lanjut, ada ide untuk mengembangkan proyek dan pergi ke manual tentang desain papan sirkuit cetak dalam bentuk buku yang nyaman, sehingga publikasi mungkin dilakukan. akan ada jeda. Artikel ini membahas topik penting - skema transmisi data diferensial, yang menjadi lebih luas dalam sistem modern, dan menawarkan rekomendasi untuk melacak pasangan diferensial, yang memungkinkan untuk memastikan keuntungan dari skema ini.
Dalam yang
sebelumnya , ditunjukkan bahwa kopling silang antara jalur sinyal independen adalah sumber gangguan yang tidak diinginkan. Namun, dalam kasus skema transmisi diferensial, cross-coupling yang kuat, sebaliknya, membuat sinyal lebih tahan terhadap gangguan. Dalam skema ini, dua saluran digunakan (pasangan diferensial), sumber sinyal yang ada di antiphase, dan penerima merespons perbedaan tegangan pada saluran V
DIFF = V
+ -V
- (Gbr. 1). Sinyal mode-umum (sinyal umum bahasa Inggris) didefinisikan sebagai V
COMM = 1/2 ∙ (V
+ + V
- ) dan dapat berupa nol, misalnya, seperti pada standar LVDS yang umum. Pasangan diferensial ditandai oleh dua resistensi:
Teori pengantar pensinyalan diferensial dijelaskan dalam banyak sumber, misalnya, dalam [1]. Dari sudut pandang merancang papan sirkuit cetak, penting untuk memikirkan keuntungan dari rangkaian diferensial sehubungan dengan asimetris (hanya dalam satu bahasa Inggris) dan pada persyaratan untuk topologi pasangan diferensial, yang memberikan keuntungan ini.
Pertama-tama, pasangan diferensial ideal adalah simetris, yaitu, di atas seluruh panjang penampang harus tidak berubah dan memiliki sumbu simetri (Gbr. 2). Ini, seperti halnya dalam kasus saluran transmisi asimetris, memastikan kekonstanan ketahanan gelombang dari pasangan diferensial, yang secara signifikan mengurangi pantulan garis dan distorsi sinyal.
R.1.
Potongan melintang dari pasangan diferensial harus maksimal (idealnya cermin) simetris dan seragam sepanjang panjangnya. Di antara garis-garis pasangan tidak boleh ada elemen topologi dari sirkuit sinyal lainnya.
Setiap baris pasangan diferensial sesuai dengan distribusi arus baliknya sendiri di lapisan referensi. Jika hubungan timbal balik antara garis pasangan jauh lebih kecil dari hubungan mereka dengan lapisan referensi, maka distribusi arus balik tidak berpotongan (Gbr. 3-A). Pasangan diferensial semacam itu disebut garis diferensial longgar, pasangan lemah. Karena distribusi komponen frekuensi tinggi dari sinyal terkonsentrasi di lapisan referensi di wilayah ± 3 ∙ jam, kriteria praktis untuk kopling lemah adalah kondisi bahwa jarak antara tepi trek yang dicetak adalah s> 6 ∙ h atau s> 3 ∙ w. Karena impedansi diferensial dari pasangan yang berpasangan lemah secara praktis tidak tergantung pada jarak antara trek Z
DIFF ≈2 ∙ Z
0 , jarak ini dapat bervariasi di sepanjang panjang garis, misalnya, jika ada hambatan di jalur pasangan diferensial. Ini menyederhanakan persyaratan untuk topologi pasangan diferensial, namun, jalur tersebut tidak memiliki keunggulan utama transmisi data diferensial.
Mengurangi jarak antara garis ke s≤2 ∙ h mengarah ke peningkatan yang signifikan dalam distribusi bersama kopling dan tumpang tindih arus balik pada lapisan referensi (Gbr. 3-B). Pasangan diferensial semacam itu disebut pasangan diferensial garis diferensial yang dipasangkan dengan ketat. Impedansi diferensial menjadi lebih tergantung pada jarak antara trek. Nilainya menurun, oleh karena itu, untuk mempertahankan nilai sebelumnya, diperlukan trek yang lebih sempit, yang sedikit meningkatkan kerugian ohmik. Namun, justru topologi pasangan diferensial ini yang memberikan keuntungan berikut sehubungan dengan garis asimetris:
- Stabilitas yang lebih baik dari sinyal diferensial untuk noise yang diinduksi, termasuk crosstalk dan interferensi pada lapisan referensi. Susunan dekat dan simetri garis mengarah pada fakta bahwa kebisingan yang diinduksi pada masing-masing garis praktis sama dengan V KEBISINGAN + NOV KEBISINGAN - , oleh karena itu, interferensi diferensial kecil. V. Gangguan ini kurang, semakin jauh dari pasangan diferensial sumbernya berada.
- ESDM dan crosstalk lebih rendah. Karena sinyal V + dan V - berada dalam antiphase, medan elektromagnetik yang dipancarkan oleh mereka kira-kira sama besarnya dan memiliki arah yang berlawanan satu sama lain. Ini mengarah pada fakta bahwa superposisi bidang di bidang jauh cenderung nol. Efek yang sama secara signifikan mengurangi crosstalk yang dihasilkan oleh pasangan diferensial di bidang dekat.
- Kurang pengaruh air mata di lapisan dukungan. Arus balik I + dan I - juga dalam antiphase, dan karena simetri geometris distribusi mereka di lapisan referensi simetris. Dalam hal ini, total arus dalam lapisan referensi I REF = I + + I - berkurang, dan di wilayah tumpang tindih menjadi sama dengan nol. Dalam kasus tumpang tindih lengkap, ketika pasangan diferensial terletak pada jarak dari lapisan referensi h> 2 ∙ (s + w) dan hubungan timbal balik garis secara signifikan melebihi koneksi mereka dengan lapisan referensi, tidak ada arus di lapisan referensi (Gbr. 3-B). Situasi seperti itu dapat muncul, khususnya, ketika pasangan diferensial melintasi celah lebar di lapisan dukungan. Terlepas dari kenyataan bahwa impedansi pada persimpangan mengalami perubahan lokal, distorsi sinyal diferensial kecil dibandingkan dengan distorsi sinyal asimetris dalam kasus ini [1].
Manfaat-manfaat ini harus disebut manfaat potensial, karena mereka sepenuhnya terwujud hanya jika dua kondisi dipenuhi secara bersamaan:
- sinyal antiphase yang ketat di seluruh baris,
- kurangnya gangguan sinyal mode umum.
Jika Anda tidak memperhitungkan ketidaksempurnaan sumber sinyal, maka pemenuhan persyaratan pertama dipastikan dengan mematuhi rekomendasi R.1 dan mencocokkan sinyal mode diferensial dan mode umum di sisi beban. Namun, dalam praktiknya, karena pembatasan yang diberlakukan oleh lokasi dan geometri bantalan kontak dari komponen dan vias, perlunya rotasi, keteguhan yang ketat dari penampang pasangan diferensial sulit untuk diimplementasikan, yang juga tercermin dalam perbedaan panjang garis pasangan. Perbedaan panjang pasangan mengarah ke pergeseran fasa, mendistorsi sinyal diferensial dan menciptakan sinyal gangguan mode umum (Gbr. 4).
Praktik umum untuk menyelaraskan panjang garis (Bahasa Inggris cocok, tuning) adalah untuk menambah panjang garis pendek karena tikungan tambahan yang dapat membentuk struktur biasa (Gbr. 5). Jelas, ini pasti mengubah jarak antara garis pasangan. Ini pada gilirannya menyebabkan perubahan lokal dalam impedansi pasangan dan penampilan refleksi. Dalam
salah satu artikel , D. Brooks menyatakan pendapat bahwa masalah menyelaraskan panjang garis pasangan lebih penting dari sudut pandang integritas sinyal dan EMC. Dan pilihan geometri tikungan tidak kritis, dengan ketentuan bahwa tikungan panjang dan sempit tidak disarankan, karena dapat menyebabkan distorsi karena hubungan timbal balik yang kuat dari masing-masing bagian. Namun, tesis ini bukan aturan universal. Faktanya adalah bahwa ada juga teknik yang lebih maju untuk menyelaraskan panjang garis, yang terdiri secara simultan mempertahankan impedansi pasangan di tempat-tempat tikungan (karena perubahan dalam lebar garis, penggunaan guntingan lokal di lapisan referensi, dll.). Namun, konstruksi geometri penyelarasan semacam itu adalah tugas yang agak rumit, membutuhkan penggunaan sistem CAD khusus, dan hanya dibenarkan untuk jalur sinyal gigahertz. Pilihan lain adalah peningkatan lokal dalam jarak antara garis pasangan dan penyelarasan karena tikungan pada salah satu garis. Dengan kata lain, implementasi transisi lokal ke pasangan diferensial dengan kopling lemah, yang impedansinya tidak terlalu tergantung pada jarak antara garis (yang diamati di tempat-tempat tikungan). Contoh dan informasi lebih rinci tentang teknik-teknik ini dapat ditemukan dalam materi yang disajikan di situs web Simberian, Inc.
Kriteria untuk tingkat kesetaraan panjang garis yang cukup diberikan dalam [1]: “Panjang garis dari pasangan diferensial harus disejajarkan satu sama lain dengan akurasi ∆L <0,1 ∙ t
R ∙ v. Direkomendasikan bahwa area penjajaran ditempatkan di bagian dari pasangan diferensial di mana simetri sudah rusak (misalnya, dengan lokasi pin microcircuit). " Dengan analogi dengan garis asimetris, pengaruh heterogenitas lokal dari impedansi diferensial lebih kecil, semakin pendek panjang listrik dari bagian penjajaran dibandingkan dengan durasi depan sinyal.
Tugas ini diperumit oleh fakta bahwa penyejajaran bekerja dengan baik hanya untuk garis strip, di mana kecepatan propagasi sinyal in-phase dan diferensial adalah sama. Untuk garis microstrip, bahkan penyejajaran yang sempurna dari panjang garis pasangan tidak menjamin tidak adanya distorsi, tetapi hanya merupakan metode untuk mengurangi mereka. Tetapi karena garis strip memerlukan transisi ke lapisan dalam menggunakan vias, yang sendiri heterogen, tidak dapat dikatakan secara tegas bahwa garis microstrip tidak memiliki kelebihan. Tentu saja, signifikansi efek ini meningkat dengan meningkatnya batas atas pita frekuensi sinyal. Dan jika pada frekuensi di bawah 1 GHz, ekualisasi memberikan tingkat distorsi yang rendah, maka di wilayah beberapa gigahertz dan di atas tidak ada rekomendasi universal dan masalah jejak diselesaikan dengan pemodelan untuk setiap kasus tertentu.
Gangguan sinyal mode-umum dapat terjadi baik pada pasangan diferensial itu sendiri karena asimetri apa pun, dan juga dapat diinduksi dari saluran sinyal lainnya. Namun, mustahil untuk mengecualikan distorsi, dengan mencocokkan garis, yang mencegah terjadinya refleksi berulang dan osilasi, konsekuensinya dapat diminimalkan. Metode utama untuk mencocokkan pasangan diferensial di ujung jauh disajikan pada Tabel 1. Sirkuit tanpa pencocokan sinyal mode-umum adalah sederhana dan karena itu sering digunakan, namun, jika ada gangguan mode-umum pada saluran, kesederhanaan merupakan masalah potensial. Tidak seperti sinyal diferensial, sinyal mode-umum adalah sumber radiasi elektromagnetik yang baik. Khususnya gangguan mode-umum menjadi kritis ketika menggunakan twisted pair yang tidak digunakan untuk transmisi sinyal, sehingga disarankan untuk menggunakan twisted pair berpelindung dan mode-tersedak umum pada output.
Tabel 1. Metode pencocokan garis sinyal.
| Judul dan Skema | Tingkat kerugian | Komentar |
|---|
 | rendah |  |
 | tinggi |  |
 | tinggi | |
 | rata-rata |  |
Catatan:
1. Saat menghitung nilai resistansi yang cocok, akan lebih mudah untuk menggunakan nilai impedansi dari genap
EVE Z (mode Eng. Even) dan Z
ODD (mode ganjil) yang ganjil) dari operasi pasangan diferensial. Menurut definisi, ini adalah nilai impedansi dari salah satu garis dalam mode operasi khusus ketika sinyal selama propagasi pada pasangan diferensial tidak terdistorsi. Dalam kasus pasangan diferensial simetris, ini adalah sinyal yang sama V
+ = V untuk mode genap dan sinyal antiphase V
+ = –V untuk mode ganjil. Selain itu, mereka terkait dengan nilai-nilai impedansi karakteristik dari pasangan diferensial oleh hubungan berikut: Z
DIFF = 2 ∙ Z
ODD , Z
COMM = 1/2 ∙ Z
BAHKAN .
2. Untuk pasangan diferensial dengan kopling mutual yang lemah, Z
ODD ≈ Z
EVEN ≈ Z
0 dan skema pencocokan berbentuk T merosot menjadi sirkuit pencocokan paralel untuk masing-masing garis.
Sirkuit diferensial memiliki banyak keunggulan yang relatif asimetris dan mendasar bagi standar transmisi data berkecepatan tinggi, termasuk sistem dengan sejumlah besar node. Dengan kelanjutan dari tren pertumbuhan frekuensi clock, pengembang akan semakin harus berurusan dengan pelacakan pasangan diferensial, oleh karena itu kompetensi ini secara strategis penting dan harus didasarkan tidak hanya pada rekomendasi umum, tetapi juga didukung oleh hasil simulasi CAD khusus dan data eksperimental.
Sastra
[1] Bogatin E. "Sinyal dan integritas daya - disederhanakan", edisi ke-2, Pearson, 2010
Artikel ini pertama kali diterbitkan dalam jurnal Components and Technologies 2018, No. 5. Publikasi tentang Habr telah disetujui oleh para editor majalah tersebut.PS
Sekali lagi, saya menghimbau pembaca, yang jumlahnya lebih sedikit setelah pindah dari Geektimes, untuk umpan balik yang dapat diungkapkan dalam komentar, dalam pesan pribadi, sesuka Anda. Ini berlaku untuk artikel ini dan semua yang sebelumnya. Saya ingin membuat manual referensi yang praktis dan mudah, dengan seseorang yang berhasil memulai dalam desain papan sirkuit tercetak dengan lebih sedikit kesalahan, seseorang masuk lebih dalam dan meningkatkan kualitasnya. Bergabunglah dengan kami, kritik yang membangun, dan berikan kontribusi untuk pengembangan industri ini.