Sollten Sie enge vs. lockere Abstände und Kopplungen bei Differentialpaaren verwenden?

Wir erhalten viele Fragen bezüglich der Leiterbahnenimpedanz und wie man die richtige Leiterbahnbreite berechnet, um eine spezifische Impedanz auf einer herstellbaren Leiterplatte zu erreichen. Ebenso wichtig wie die Bestimmung einer angemessenen Breite für eine einzelne Leiterbahn ist die Bestimmung eines angemessenen Abstands zwischen zwei Leiterbahnen in einem differentiellen Paar. Die Frage ist also, wie nah müssen die Leiterbahnen in einem differentiellen Paar beieinander sein, und ist die Notwendigkeit einer „engen Kopplung“ wirklich erforderlich?

Interessant an dieser Designrichtlinie ist, dass sie wahrscheinlich die einzige PCB-Designregel ist, die am schlechtesten definiert ist. Was genau bedeutet „lose Kopplung“ oder „enge Kopplung“ in einem numerischen Sinn? Wenn Sie 10 verschiedene Signalintegritätsexperten fragen, erhalten Sie 20 verschiedene Antworten!

In diesem Artikel möchten wir uns einer realistischen Beschreibung von enger Kopplung vs. loser Kopplung in Bezug auf den Abstand des differentiellen Paares nähern, sowie wie der Abstand des differentiellen Paares Dinge wie Impedanz, differentiellen Rauschmodus, Empfang von gemeinsamem Modusrauschen und Terminierung beeinflusst. Wie wir sehen werden, hat die Fokussierung auf enge Kopplung (was auch immer das bedeuten soll) ihre Verdienste, wird aber oft aus den falschen Gründen als notwendig zitiert.

Wie der Abstand von Differentialpaaren die Signalintegrität beeinflusst

Lassen Sie uns jede der oben genannten Dimensionen betrachten, um genau zu sehen, wo der Abstand von Differentialpaaren eine Rolle spielt und wie man den angemessenen Wert einstellt.

Impedanz

Der primäre Parameter in einem Differentialpaar, der durch den Abstand beeinflusst wird, ist die Impedanz. Die Impedanz eines Differentialpaares hängt von der Eigenkapazität und der Eigeninduktivität jeder Spur sowie der gegenseitigen Kapazität und der gegenseitigen Induktivität zwischen jeder Spur ab. Das bedeutet, dass die Formel für die typische Impedanz eines Differentialpaares in die ungerade Impedanz und die differentielle Impedanz zerlegt werden muss, die wie folgt definiert sind:

Die gegenseitige Induktivität und Kapazität existieren, um den beiden Paaren eine äquivalente Gesamtinduktivität und -kapazität zu geben. In der obigen Gleichung haben wir Verluste ignoriert (R und G in der Impedanzgleichung der Übertragungsleitung), aber das ist in Ordnung, hier geht es darum, auf den Abstand zu achten.

• Je näher Sie die Paare zusammenbringen, desto kleiner wird die differentielle Impedanz, weil L_M und C_M größer werden. Sowohl L_M als auch C_M konvergieren gegen Null, wenn der Abstand gegen Unendlich geht.

Anders ausgedrückt, wenn Sie darauf abzielen, ein differentielles Impedanzziel zu erreichen (wie in einem Standard vorgegeben oder durch Messungen bestimmt), dann können Sie die beiden Paare nicht zu nah zusammenbringen, da sonst das Impedanzziel nicht verletzt wird, weil die differentielle Impedanz zu klein sein wird. Jedoch wird ein kleinerer Abstand die elektrischen und magnetischen Felder zwischen den beiden Leiterbahnen entlang der Route konzentrieren, was den Verlust erhöht.

Gegenseitige Induktivität und gegenseitige Kapazität zwischen zwei Leiterbahnen zu berechnen, ist nicht einfach, und es gibt keine einfachen geschlossenen Formeln, die man verwenden kann. Es gibt einige längere Formeln in Forschungsartikeln, aber sie sind sehr lang und unhandlich. Eine bessere Option ist die Verwendung eines Stackup-Editors mit eingebautem Rechner. Diese Art von Hilfsmittel verwendet normalerweise einen elektromagnetischen Feldlöser, um die Impedanz eines Differenzpaares zu bestimmen, anstatt die gegenseitige Kapazität und Induktivität zu ermitteln.

Unterdrückung von Gleichtaktstörungen

Differenzpaare werden manchmal als immun gegen Übersprechen beschrieben, obwohl nicht immer angegeben wird, ob dies bei einseitigen Signalen oder Differenzsignalen der Fall ist. Unabhängig davon ist die Wahrheit, dass Differenzpaare nicht immun gegen Übersprechen sind, sei es von Differenzmodus-Störquellen oder Gleichtakt-Störquellen. Um mehr über ersteres zu erfahren, können Sie diesen Artikel über Differenzübersprechen lesen.

Was ist mit Gleichtaktstörungen, die als Übersprechen entstehen? Wenn Sie sich eine einseitige Aggressor-Leiterbahn ansehen, die ein Signal in einem nahegelegenen differentiellen Modus-Paar induziert, ist die Realität, dass Sie niemals eine vollständige Unterdrückung von Gleichtaktstörungen garantieren können, egal wie eng Sie die beiden Leiterbahnen in einem differentiellen Paar verlegen. Eine engere Kopplung hilft jedoch.

Um zu verstehen warum, müssen wir uns nur anschauen, wie sich die Felder von einer einseitigen Aggressor-Leiterbahn im Raum ausbreiten. Da die Felder mit dem Abstand von der Leiterbahn abnehmen, empfängt die nähere Leiterbahn im differentiellen Paar mehr Störungen als die weiter entfernte Leiterbahn.

Hier würde ich argumentieren, dass die optimale Lösung darin besteht, die einseitige Leiterbahn weiter vom differentiellen Paar zu entfernen, anstatt nur das Paar enger zusammenzubringen. Wenn das keine machbare Lösung ist, dann wird ein kleinerer Abstand denselben Effekt erzielen, aber mit höheren Verlusten entlang des differentiellen Paares.

Differentielle EMI

Es gibt noch einen weiteren Mythos, dass differentielle Paare keine EMI abstrahlen. Das ist ebenfalls nicht wahr; wäre es wahr, dann könnten wir keine differentielle Übersprechkopplung messen. Allerdings ist die abgestrahlte EMI von einem differentiellen Paar im differentiellen Modus, sodass sie weniger intensiv ist als das Rauschen, das von einer einzelnen Leiterbahn oder einer Gruppe von Leiterbahnen emittiert wird. Das ist ein Grund, warum man extrem schnelle serielle Daten über eine differentielle Verbindung übertragen kann, ohne ständig bei EMC-Tests zu scheitern: Es gibt einfach weniger Rauschen, als wenn die Daten über eine einzelne Leiterbahn gesendet würden.

Da differentielle EMI nur dann ein Problem darstellen würde, wenn man serielle Daten über ein langes differentielles Paar routet, könnte man versucht sein, das Paar enger zusammenzubringen, um dem Rauschen entgegenzuwirken. Ich würde jedoch erneut betonen, dass Verluste (Einfügungsdämpfung) in dieser Situation viel wichtiger sind. In einer langen Verbindung, bei der man differentielle Paare verwenden müsste, werden Verluste das Kanalverhalten dominieren, und man braucht keinen extrem engen Abstand. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr Kanalverhalten simulieren und messen, vorzugsweise mit einer Testplatine, bevor Sie Ihr differentielles Paardesign für die Verwendung mit Ihrem speziellen Signalisierungsstandard finalisieren.

Modusumwandlung und Reflexionen beim Längenabgleich

Es gibt zwei miteinander verbundene Probleme der Signalintegrität, die durch enge Kopplung innerhalb einer Längenabstimmungsstruktur entstehen::

• Modusumwandlung in Längenabstimmungsstrukturen
• Reflexionen am Eingang einer Längenabstimmungsstruktur

Diese beiden Punkte stellen einen Kompromiss dar: Die Längenabstimmungsstrukturen sind notwendig, um Signale in Phase zu bringen, aber sie erzeugen Reflexionen und Modusumwandlungen.

Wenn ein differentielles Signal entlang einer Längenabstimmungsstruktur verläuft, wird es eine gewisse Modusumwandlung erfahren, was bedeutet, dass gemeinsamer Modus-Rauschen in differentielles Modus-Rauschen umgewandelt werden kann und umgekehrt. Wenn der Abstand zwischen den Paaren kleiner ist, wird es eine größere Abweichung der ungeraden Modus-Impedanz entlang der längenabgeglichenen Spur geben, sowie eine entsprechend größere Änderung der Ausbreitungsverzögerung auf jeder Spur.

Das Ergebnis ist, dass die Längenabstimmungsstruktur dazu führt, dass etwas gemeinsames Modus-Rauschen als differentielles Modus-Rauschen am Empfänger erscheint, was dann die Rauschmarge des Empfängers verletzen könnte.

• Erfahren Sie mehr über Modusumwandlung in Längenabstimmungsstrukturen
• Erfahren Sie mehr über die Impedanz von Längenabstimmungsstrukturen

Warum liegt der Fokus auf Abstand und Längenabgleich?

In der fernen Vergangenheit, bevor Entwickler Zugang zu einer Vielzahl von CAD-Tools und professioneller Elektronik-Design-Software hatten, war es ein zeitaufwendiger Prozess, Längenanpassung und konsistenten Abstand bei einem Differentialpaar anzuwenden. Heute sind PCB-Designer mit CAD-Tools verwöhnt, die es extrem einfach machen, Längenanpassungsabschnitte bei einem Differentialpaar anzuwenden. Designregeln, die mit Ihren Routing-Tools interagieren, machen es ebenfalls extrem einfach, einen konsistenten Abstand zwischen jeder Spur in einem Differentialpaar anzuwenden, einschließlich sehr engem Abstand, falls nötig.

Auch wenn es innerhalb der Grenzen traditioneller Abschlussmethoden und Differentialimpedanz-Ziele nicht notwendig sein mag, sehen wir einige Gründe, einen kleinen Abstand zu verwenden:

• Reduzierte differentielle Modus-Rauschemission und differentielle Übersprechen
• Höhere Chance, dass Rauschen als echtes Gleichtakt-Rauschen empfangen wird
• Niedrigeres differentielles Modus-Rauschen, das zwischen dem Paar emittiert wird

Jedoch entgegen der weit verbreiteten Meinung ist es nicht erforderlich, den kleinstmöglichen Abstand für die Terminierung zu wählen, und es wird die Verluste entlang der Länge des Paares erhöhen. Sobald Sie dann eine Längenanpassung entlang eines eng beieinander liegenden Paares anwenden, werden Sie eine größere Modusumwandlung und Impedanzabweichung sehen, wenn der Abschnitt der Längenanpassung angewendet wird. Terminierung ist eine lange Diskussion, die ich in einigen Videos und in einem anderen Artikel präsentieren werde.Eine Übersicht finden Sie in diesem Artikel, und die Haupterkenntnis ist, dass die Terminierung das differentielle Paar als zwei einzelne Signale behandelt, nicht im Sinne einer bestimmten differentiellen Impedanz.

Wenn Sie den Abstand und die spezifischen Impedanz-Ziele für Differentialpaare in Ihrem Design festlegen und beibehalten müssen, nutzen Sie den kompletten Satz an PCB-Routing- und Simulationsfunktionen in Altium Designer^®. Die integrierten Routing-Tools bieten Ihnen alles, was Sie benötigen, um Ihr physisches Layout unter Einhaltung Ihrer Geometrieregelungen und Impedanz-Ziele zu vervollständigen. Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Altium 365^™-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte.

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