Coppie Differenziali Senza un Piano di Terra: È un Problema?

Le coppie differenziali hanno aiutato a risolvere alcuni problemi basilari di integrità del segnale, e i moderni strumenti CAD le rendono facili da progettare e tracciare. Tuttavia, le coppie differenziali non sono la soluzione per ogni problema di integrità del segnale, nonostante la loro utilità nel sopprimere il rumore in modo comune a un ricevitore a basso livello. C'è una domanda che viene sempre posta quando si discute del routing delle coppie differenziali: queste tracce necessitano di un piano di massa?

A volte, la risposta a questa domanda dipende da chi chiedi e quale esempio concettuale usi per spiegare come funzionano le coppie differenziali. Come la maggior parte delle domande di ingegneria che incontriamo su questo e altri blog, ci sono semi di verità in tutte le risposte che troverai a questa domanda, ed è facile prendere quei punti fuori contesto. Vediamo quando è necessario utilizzare un piano di massa per coppie differenziali e quando è semplicemente una cattiva idea tracciare coppie differenziali senza terra.

Che cos'è in realtà un Piano di Massa per Coppie Differenziali?

Se vuoi sapere quando è appropriato tracciare coppie differenziali senza terra, è utile sapere cosa fa un piano di massa e perché è importante. Prima, vediamo cosa fa fisicamente un piano di massa (oltre ad essere semplicemente un grande conduttore di rame):

• Capacitanza: Quando abbinata a un piano di alimentazione su uno strato adiacente, si crea un condensatore fisicamente grande. Quando i due piani sono vicini (laminato sottile tra i piani), si ha una maggiore capacitanza interplana.
• Schermatura: Un piano di massa fornisce una grande fonte/pozzo di carica. Il modo in cui la carica viene prelevata o immessa in un piano di massa è sostanzialmente irrilevante. Inoltre, fornisce carica immagine per terminare i campi elettrici che puntano verso il piano.
• Punto di riferimento unico: Idealmente, fornisce un potenziale di riferimento. In altre parole, può essere utilizzato per fornire un punto di riferimento per qualsiasi misurazione di tensione, inclusi i "rilevamenti" di tensione utilizzati dai circuiti integrati per registrare i livelli logici. Il segnale di 3,3 V che si misura all'estremità di trasmissione di un collegamento senza perdite è ragionevolmente garantito essere visto come 3,3 V all'estremità di ricezione.

Oltre ad alcune altre caratteristiche come fornire un modo semplice per distribuire calore ed energia in tutta la scheda, i piani di massa forniscono alcune funzioni elettriche di base che a volte non vengono discusse fino a quando non si arriva a un corso di elettromagnetismo a livello di laurea magistrale. In ogni caso, gli ultimi due punti sono importanti per le coppie differenziali senza terra. Se si esegue il routing correttamente, potrebbe non essere necessario il collegamento a terra per le coppie differenziali.

Le tue coppie differenziali, piani di massa e livelli di segnale

Il modo in cui una coppia differenziale si affida a un piano di massa dipende da alcuni fattori e si ricollega ai parassiti che governano l'impedenza. Prima di tutto, esaminiamo i parassiti tra le coppie differenziali. Tutte le coppie differenziali presentano una piccola quantità di capacità parassita tra di loro, che si combina con la loro induttanza parassita e la capacità parassita nativa rispetto ai piani di massa.

Questi parassiti producono due effetti:

• La capacità mutua parassita e l'induttanza mutua forniscono un accoppiamento tra le due linee nella coppia, che aiuta a determinare la loro impedenza differenziale.
• La capacità parassita rispetto ai piani di riferimento consente a una corrente di spostamento di propagarsi nel piano di massa.

Insieme, i parassiti determinano l'impedenza differenziale della coppia e l'impedenza in modo singolo (impedenza in modo dispari) di una traccia individuale nella coppia.

Se c'è una corrente di ritorno sotto le tracce in una coppia differenziale (assumendo che stiamo parlando nello stesso modo in cui lo faremmo per le tracce a terminazione singola), essa si trova molto vicino sotto la coppia e si avvicina a zero nel punto medio tra le due tracce. Per i segnali ad alta velocità, si potrebbe aspettare che la distribuzione di qualsiasi corrente di ritorno sotto la traccia sia approssimativamente gaussiana. Questo è mostrato nel grafico nell'immagine qui sotto.

Qui, per fornire un "percorso di ritorno", non abbiamo realmente bisogno di un piano di massa. Immaginate se aumentassimo lentamente la distanza tra il piano di massa e le tracce nella figura sopra. Tutte le linee del campo elettrico emananti dalla traccia positiva terminerebbero nella traccia negativa. Questo spiega la definizione di impedenza differenziale: è l'impedenza tra le due tracce a causa del loro accoppiamento reciproco. Questo aiuta anche a spiegare perché i livelli di segnale in una coppia differenziale vengono letti come la differenza tra i valori su ciascuna traccia.

Ecco dove qualcuno potrebbe chiedere: "Come fa la corrente a fluire dal tracciato positivo a quello negativo? Deve avvenire attraverso l'IC!" Curiosamente, Lee Ritchey sostiene di conoscere un libro di testo che mostra questa specifica grafica sulla copertina. Piuttosto che chiedersi dove fluisca la corrente, suggerisco agli ingegneri di allontanarsi da questa idea che la corrente "fluisca" da qualche parte come l'acqua in un tubo.

Quando un'onda viene eccitata a un'estremità del tracciato, il campo elettrico viene eccitato da una certa distribuzione di carica libera sul conduttore. Il campo elettrico di un conduttore induce polarizzazione nel conduttore opposto, che viene vista come una corrente di spostamento. Man mano che l'onda si propaga lungo una coppia differenziale, così fa questo squilibrio di carica lungo le due coppie. La velocità con cui questo squilibrio di carica si muove lungo il tracciato è effettivamente una corrente di ritorno. Nota che c'è anche un contributo dall'induttanza mutua, e la stessa spiegazione si applica.

Perché utilizzare un piano di massa per le coppie differenziali?

Un punto che tutti sollevano riguardo le tracce a terminazione singola ma dimenticano con quelle differenziali è il livello di isolamento fornito da un piano di massa. In parole semplici, un piano di massa vicino alle coppie differenziali distorce le linee di campo e le termina sulla superficie del piano. Se avete il routing di una coppia differenziale su due strati adiacenti, potete isolare le coppie semplicemente inserendo un piano di massa tra gli strati.

Questo porta a un'altra ragione per utilizzare un piano di massa: la soppressione del crosstalk differenziale. Le linee di campo mostrate di seguito illustrano perché le coppie differenziali possono indurre crosstalk in una traccia diversa, inclusa un'altra coppia differenziale. Da un lato all'altro della traccia. Se leggete l'articolo che ho collegato sopra, vedrete che distanze maggiori tra una coppia differenziale e il suo piano di massa aumenteranno il livello di crosstalk indotto in un'altra traccia (sia a terminazione singola che differenziale).

Ciò è dovuto ai campi che circondano ogni traccia in una coppia differenziale, come mostrato nell'immagine qui sotto. Qui, il campo non è nullo ai bordi di una coppia, il che significa che può indurre rumore in modo comune o differenziale in un'altra traccia. Oltre all'isolamento tra i livelli, l'uso di un piano di massa fornisce anche un isolamento aggiuntivo tra una coppia differenziale e qualsiasi altra traccia sullo stesso livello. Questo potrebbe permetterti di posizionare le tracce più vicine tra loro.

Mancanza di massa e il problema dell'offset di massa

Nota che, se prevedi di utilizzare coppie differenziali senza terra evitando al contempo altri problemi di EMI, devi applicare l'abbinamento delle lunghezze in modo che i segnali su una coppia differenziale arrivino al ricevitore entro il loro budget temporale. Questo perché, quando segnali non abbinati arrivano al ricevitore, viene misurata la loro differenza, ma qualsiasi disallineamento può ridurre la capacità del ricevitore di ridurre il modo comune. In termini di corrente di ritorno in qualsiasi riferimento vicino, tecnicamente ciò produrrebbe un'esplosione momentanea di corrente nella regione di terra accoppiata capacitivamente più vicina. Se la regione di terra è lontana dalle coppie (ad esempio, un piano lontano o il telaio), allora hai la tua breve esplosione elettromagnetica che può irradiare, effettivamente come propria fonte di rumore in modo comune. Tuttavia, in senso pratico, questa radiazione non è così preoccupante eccetto forse in PCB densamente impacchettati, nel qual caso dovresti comunque applicare più spazio tra componenti inclini al diafonia.

Il principale vantaggio nell'utilizzo di coppie differenziali è l'immunità agli offset di terra. Le coppie differenziali sono generalmente immuni agli offset di terra e non richiedono che i terreni su ciascun lato di un collegamento differenziale siano collegati, ad esempio, con un cavo schermato. Gli offset di terra rappresentano un problema solo nella segnalazione a terminazione singola poiché un offset di terra modificherà il livello del segnale nella scheda. Questo può essere illustrato schematicamente su un PCB con piani di terra separati, o per un lungo cavo instradato tra due sistemi chiusi come mostrato di seguito.

Poiché una coppia differenziale si basa sulla misurazione della differenza tra i segnali su ciascun lato della coppia, l'offset di terra non importa in questo collegamento. Sebbene ciò potrebbe non essere un problema su un PCB con un piano di terra uniforme, è un problema reale su collegamenti elettrici lunghi utilizzati per collegare attrezzature distanti.

A seconda di come viene implementata la terminazione e delle deviazioni di impedenza tra ciascun lato della coppia, il metodo reale per la compensazione dell'offset di terra è implementato con una sorgente di corrente a un'estremità del collegamento (questo è integrato nel ricevitore). Con la terminazione integrata nel chip implementata nei moderni componenti ricevitori e trasmettitori differenziali, non devi davvero preoccuparti di questo. Il tuo compito come progettista è assicurarti di raggiungere gli obiettivi di impedenza richiesti e minimizzare lo skew al di sotto dei limiti consentiti per la tua particolare interfaccia.

Cosa Determina l'Impedenza Se Non C'è Terra?

Per una singola traccia, l'impedenza caratteristica dipende dal rapporto tra la larghezza della traccia e lo spessore del dielettrico. Se hai un microstrip e aumenti la distanza dal terra a un valore molto grande, l'impedenza caratteristica della traccia crescerà in modo logaritmico fino a valori molto grandi. Quindi, come fa l'impedenza di una coppia differenziale a rimanere a un valore fisso se non c'è un piano di terra e l'impedenza caratteristica di ogni traccia diventa molto grande?

• La risposta risiede nella distanza tra le tracce nel paio. L'obiettivo dell'impedenza differenziale, così come l'impedenza singola di ogni traccia, è mantenuto mantenendo costante la distanza tra le due tracce. Questo stabilisce l'impedenza singola E l'impedenza differenziale al valore target, anche se non c'è un piano di massa!

Per una data distanza, l'impedenza singola di ogni traccia sarà impostata sull'impedenza in modo dispari a causa del coupling tra le due tracce. L'impedenza della traccia che influisce sulla propagazione del segnale su ogni traccia nella coppia è l'impedenza in modo dispari, non l'impedenza caratteristica. Questo dovrebbe spiegare il ruolo dei cavi che trasportano segnali differenziali; il coupling tra di loro mantiene l'impedenza del filo individuale impostata sul valore richiesto in modo dispari, non la presenza di un piano di terra vicino (questo è totalmente arbitrario in cavi non schermati senza conduttore di terra).

Se instradi sopra un'interruzione di terra e poi di nuovo sopra un piano di massa, cosa succederà? A seconda della dimensione dell'interruzione e della distanza dal piano, potresti notare una discontinuità di impedenza. Devi assicurarti che le impedenze delle tracce siano abbinate in ogni sezione e che l'impedenza di ingresso sia invisibile per prevenire riflessioni. Assicurati di tenere conto di ciò nel tuo calcolatore di impedenza e di stackup.

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