Differentielle Paare ohne Masseebene: Ist das ein Problem?

Differentielle Paare haben geholfen, einige grundlegende Probleme der Signalintegrität zu lösen, und moderne CAD-Tools machen deren Design und Routing einfach. Trotz ihrer Nützlichkeit bei der Unterdrückung von gemeinsamem Modus-Rauschen auf einem Low-Level-Empfänger sind differentielle Paare jedoch nicht die Lösung für jedes Problem der Signalintegrität. Es gibt eine Frage, die immer gestellt wird, wenn es um das Routing von differentiellen Paaren geht: Benötigen diese Leiterbahnen eine Massefläche?

Manchmal hängt die Antwort auf diese Frage davon ab, wen man fragt und welches konzeptionelle Beispiel man verwendet, um zu erklären, wie differentielle Paare funktionieren. Wie bei den meisten Ingenieurfragen, auf die wir in diesem und anderen Blogs stoßen, gibt es einen Kern von Wahrheit in allen Antworten, die Sie auf diese Frage finden werden, und es ist leicht, diese Punkte aus dem Kontext zu nehmen. Lassen Sie uns anschauen, wann Sie eine Massefläche für differentielle Paare verwenden müssen und wann es einfach eine schlechte Idee ist, differentielle Paare ohne Masse zu routen.

Was ist überhaupt eine Massefläche für differentielle Paare?

Wenn Sie wissen möchten, wann es angebracht ist, differentielle Paare ohne Masse zu routen, lohnt es sich zu wissen, was eine Massefläche tut und warum sie wichtig ist. Zuerst schauen wir uns an, was eine Massefläche physisch tut (über das Sein eines großen Kupferleiters hinaus):

• Kapazität: Wenn sie mit einer Stromebene auf einer benachbarten Schicht gepaart wird, haben Sie gerade einen physisch großen Kondensator erstellt. Wenn die beiden Ebenen nahe beieinander sind (dünnes Laminat zwischen den Ebenen), haben Sie eine größere Zwischenebenenkapazität.
• Abschirmung: Eine Masseebene bietet eine schöne große Quelle/Senke der Ladung. Wie Ladung von einer Masseebene gezogen oder in sie gesenkt wird, ist im Grunde irrelevant. Zusätzlich bietet sie Bildladung, um elektrische Felder, die in die Ebene zeigen, zu beenden.
• Einzelner Referenzpunkt: Idealerweise bietet sie ein Referenzpotential. Mit anderen Worten, sie kann verwendet werden, um einen Referenzpunkt für jede Spannungsmessung zu bieten, einschließlich der Spannungs„messungen“, die von ICs verwendet werden, um Logikpegel zu registrieren. Die 3,3 V Spannung, die Sie am treibenden Ende einer verlustfreien Verbindung messen, wird mit ziemlicher Sicherheit auch als 3,3 V am empfangenden Ende gesehen.

Abgesehen von einigen anderen Funktionen, wie das Bereitstellen einer einfachen Möglichkeit, Wärme und Strom über eine Platine zu verteilen, bieten Masseebenen einige grundlegende elektrische Funktionen, die manchmal erst in einem Elektromagnetismus-Kurs auf Hochschulniveau besprochen werden. In jedem Fall sind die letzten beiden Punkte für Differenzpaare ohne Masse wichtig. Wenn Sie Ihr Routing richtig hinbekommen, benötigen Sie möglicherweise keine Masse für Differenzpaare.

Ihre differentiellen Paare, Masseebenen und Signalpegel

Die Art und Weise, wie ein differentielles Paar von einer Masseebene abhängt, hängt von einigen Faktoren ab und steht in Beziehung zu den Parasitären, die die Impedanz bestimmen. Zuerst sollten wir uns die Parasitären zwischen differentiellen Paaren anschauen. Alle differentiellen Paare haben eine kleine Menge an parasitärer Kapazität zwischen ihnen, die sich mit ihrer parasitären Induktivität und der nativen parasitären Kapazität in Bezug auf die Masseebenen kombiniert.

Diese Parasitären erzeugen zwei Effekte:

• Die parasitäre gegenseitige Kapazität und gegenseitige Induktivität sorgen für eine Kopplung zwischen den beiden Leitungen im Paar, was deren differentielle Impedanz bestimmt.
• Die parasitäre Kapazität zurück zu den Referenzebenen ermöglicht einen Verschiebungsstrom, der sich in der Masseebene ausbreitet.

Zusammen bestimmen die Parasitären die differentielle Impedanz des Paares und die einseitige (ungerade Modusimpedanz) einer einzelnen Spur im Paar.

Wenn unter den Leiterbahnen eines Differenzpaares ein Rückstrom fließt (angenommen, wir sprechen auf die gleiche Weise wie bei einseitigen Leiterbahnen), liegt dieser sehr nah unter dem Paar und nähert sich am Mittelpunkt zwischen den beiden Bahnen Null. Bei Hochgeschwindigkeitssignalen könnte man erwarten, dass die Verteilung eines Rückstroms unter der Leiterbahn annähernd Gaussförmig ist. Dies wird in der Grafik im Bild unten gezeigt.

Hier, um einen „Rückweg“ zu bieten, benötigen wir eigentlich keine Masseebene. Stellen Sie sich vor, wir würden den Abstand zwischen der Masseebene und den Leiterbahnen in der obigen Abbildung langsam erhöhen. Alle von der positiven Leiterbahn ausgehenden elektrischen Feldlinien würden an der negativen Leiterbahn enden. Dies erklärt die Definition der differentiellen Impedanz: Es ist die Impedanz zwischen den beiden Leiterbahnen aufgrund ihrer gegenseitigen Kopplung. Dies hilft auch zu erklären, warum Signalpegel in einem Differenzpaar als Differenz zwischen den Werten auf jeder Leiterbahn gelesen werden.

Hier wird jemand fragen: „Wie fließt der Strom von der positiven Leiterbahn in die negative Leiterbahn? Das muss durch den IC passieren!“ Seltsamerweise behauptet Lee Ritchey, von einem Lehrbuch zu wissen, das genau diese Grafik auf dem Cover zeigt. Anstatt zu fragen, wo der Strom fließt, schlage ich vor, dass Ingenieure von dieser Idee Abstand nehmen, dass Strom irgendwohin „fließt“, wie Wasser in einem Rohr.

Wenn eine Welle an einem Ende der Leiterbahn angeregt wird, wird das elektrische Feld durch eine freie Ladungsverteilung auf dem Leiter angeregt. Das elektrische Feld eines Leiters induziert eine Polarisation im gegenüberliegenden Leiter, was als Verschiebungsstrom wahrgenommen wird. Während die Welle entlang eines Differentialpaares fortschreitet, so tut es auch dieses Ladungsungleichgewicht entlang der beiden Paare. Die Geschwindigkeit, mit der dieses Ladungsungleichgewicht entlang der Leiterbahn bewegt wird, ist tatsächlich ein Rückstrom. Beachten Sie, dass auch eine gegenseitige Induktivität einen Beitrag leistet, und die gleiche Erklärung gilt.

Warum sollte man eine Massefläche für Differentialpaare verwenden?

Ein Punkt, den jeder bei einseitigen Leiterbahnen anspricht, aber bei differentiellen Leiterbahnen vergisst, ist das Niveau der Isolation, das durch eine Masseebene bereitgestellt wird. Einfach ausgedrückt, verzerrt eine Masseebene in der Nähe der differentiellen Paare die Feldlinien und beendet sie an der Oberfläche der Ebene. Wenn Sie differentielle Paarrouten auf zwei benachbarten Schichten haben, können Sie die Paare einfach isolieren, indem Sie eine Masseebene zwischen den Schichten platzieren.

Dies führt zu einem weiteren Grund, eine Masseebene zu verwenden: Unterdrückung von differentiellem Übersprechen. Die unten gezeigten Feldlinien illustrieren, warum differentielle Paare in einer anderen Leiterbahn Übersprechen induzieren können, einschließlich in einem anderen differentiellen Paar. Auf jeder Seite der Leiterbahn. Wenn Sie den Artikel lesen, den ich oben verlinkt habe, werden Sie sehen, dass größere Abstände zwischen einem differentiellen Paar und seiner Masseebene das Niveau des in einer anderen Leiterbahn induzierten Übersprechens erhöhen werden (egal ob einseitig oder differentiell).

Dies liegt an den Feldern, die jede Spur in einem Differentialpaar umgeben, wie im Bild unten gezeigt. Hier ist das Feld an den Rändern eines Paares nicht null, was bedeutet, dass es gemeinsamen Modus oder differentiellen Lärm in einer anderen Spur induzieren kann. Zusätzlich zur Isolation zwischen den Schichten bietet die Verwendung einer Masseebene auch zusätzliche Isolation zwischen einem Differentialpaar und anderen Spuren auf derselben Schicht. Dies könnte es Ihnen ermöglichen, Spuren näher zusammen zu verlegen.

Fehlende Masse und das Problem des Masseversatzes

Beachten Sie, dass wenn Sie planen, Differenzialpaare ohne Masse zu verwenden, während Sie andere EMI-Probleme verhindern möchten, Sie Längenabgleich anwenden müssen, damit die Signale auf einem Differenzialpaar innerhalb ihres Zeitbudgets beim Empfänger ankommen. Dies liegt daran, dass, wenn nicht abgeglichene Signale beim Empfänger ankommen, deren Unterschied gemessen wird, aber jede Unstimmigkeit die Fähigkeit zur gemeinsamen Modusreduktion des Empfängers verringern kann. In Bezug auf den Rückstrom in einer beliebigen nahen Referenz würde dies technisch gesehen einen momentanen Stromstoß in der nächstgelegenen kapazitiv gekoppelten Massezone erzeugen. Wenn die Massezone weit von den Paaren entfernt ist (d.h., eine weit entfernte Ebene oder das Gehäuse), dann haben Sie Ihren kurzen elektromagnetischen Ausbruch, der strahlen kann, effektiv als eigene Quelle für gemeinsamen Moduslärm. Allerdings ist diese Strahlung in der Praxis nicht so sehr besorgniserregend, außer vielleicht auf dicht gepackten PCBs, in welchem Fall Sie sowieso mehr Platz zwischen kreuzkopplungsanfälligen Komponenten lassen sollten.

Der größte Vorteil der Verwendung von Differentialpaaren ist die Immunität gegenüber Erdungsverschiebungen. Differentialpaare sind im Allgemeinen immun gegen Erdungsverschiebungen und erfordern nicht, dass die Erden auf jeder Seite einer differentiellen Verbindung überbrückt werden, z. B. mit einem abgeschirmten Kabel. Erdungsverschiebungen sind nur bei einseitiger Signalübertragung ein Problem, da eine Erdungsverschiebung das Signalniveau auf der Platine verändern wird. Dies kann schematisch auf einer Leiterplatte mit getrennten Masseflächen oder für ein langes Kabel, das zwischen zwei geschlossenen Systemen verlegt wird, wie unten gezeigt, dargestellt werden.

Da ein Differentialpaar darauf basiert, den Unterschied zwischen den Signalen auf jeder Seite des Paares zu messen, spielt die Erdungsverschiebung in dieser Verbindung keine Rolle. Während dies auf einer Leiterplatte mit einer einheitlichen Massefläche vielleicht kein so großes Problem darstellt, ist es ein echtes Problem bei langen elektrischen Verbindungen, die verwendet werden, um entfernte Geräte zu verbinden.

Je nachdem, wie die Terminierung implementiert ist und wie die Impedanzabweichungen zwischen den Seiten des Paares ausfallen, wird die tatsächliche Methode zur Kompensation von Erdungsunterschieden mit einer Stromquelle am einen Ende der Verbindung implementiert (diese ist in den Empfänger integriert). Mit der auf dem Chip implementierten Terminierung in modernen differentiellen Empfänger- und Senderkomponenten müssen Sie sich darüber eigentlich keine Gedanken machen. Ihre Aufgabe als Designer ist es, sicherzustellen, dass Sie die erforderlichen Impedanzziele erreichen und die Verzögerungsunterschiede unter den zulässigen Grenzen für Ihre spezielle Schnittstelle halten.

Was bestimmt die Impedanz, wenn kein Erdungsanschluss vorhanden ist?

Bei einer einzelnen Leiterbahn hängt die charakteristische Impedanz vom Verhältnis der Leiterbahnbreite zur Dielektrikumdicke ab. Wenn Sie eine Mikrostreifenleitung haben und den Abstand zum Erdungsanschluss sehr groß machen, wächst die charakteristische Impedanz der Leiterbahn logarithmisch auf sehr hohe Werte an. Wie bleibt also die Impedanz eines differentiellen Paares bei einem festen Wert, wenn keine Erdungsplane vorhanden ist und die charakteristische Impedanz jeder Leiterbahn sehr groß wird?

• Die Antwort liegt im Abstand zwischen den Leiterbahnen im Paar. Das Ziel der differentiellen Impedanz, sowie die einseitige Impedanz jeder Spur, wird durch das Konstanthalten des Abstands zwischen den beiden Spuren beibehalten. Dies setzt die einseitige Impedanz UND die differentielle Impedanz auf den Zielwert, selbst wenn keine Masseebene vorhanden ist!

Bei einem gegebenen Abstand wird die einseitige Impedanz jeder Spur aufgrund der Kopplung zwischen den beiden Spuren auf die ungerade Modusimpedanz eingestellt. Die Spurimpedanz, die die Signalübertragung auf jeder Spur im Paar beeinflusst, ist die ungerade Modusimpedanz, nicht die charakteristische Impedanz. Dies sollte die Rolle von Kabeln erklären, die differentielle Signale übertragen; die Kopplung zwischen ihnen hält die Impedanz des einzelnen Drahtes auf dem erforderlichen ungeraden Moduswert, nicht die Anwesenheit einer nahegelegenen Masseebene (dies ist völlig willkürlich bei ungeschirmten Kabeln ohne Masseleiter).

Wenn Sie über eine Erdungslücke und dann wieder über eine Erdungsfläche routen, was wird passieren? Je nach Größe der Lücke und der Entfernung zur Fläche könnten Sie eine Impedanzdiskontinuität feststellen. Sie müssen sicherstellen, dass die Impedanzen der Leiterbahnen in jedem Abschnitt abgeglichen sind und dass die Eingangsimpedanz unsichtbar ist, um Reflexionen zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass Sie dies in Ihrem Impedanz- und Stackup-Rechner berücksichtigen.

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