Dovreste Usare un Accoppiamento e Spaziatura dei Coppie Differenziali Stretto o Largo?

Riceviamo molte domande riguardo l'impedenza delle tracce e come calcolare la dimensione corretta della traccia per ottenere un'impedenza specifica in una PCB realizzabile. Tanto importante quanto determinare una larghezza appropriata per una traccia singola è la determinazione di uno spazio appropriato tra due tracce in una coppia differenziale. Quindi, la domanda è: quanto devono essere vicine tra loro le tracce in una coppia differenziale, e la necessità di un “accoppiamento stretto” è davvero necessaria?

Quello che è interessante riguardo questa linea guida di progettazione è che probabilmente è l'unica regola empirica di progettazione PCB che è definita peggio. Cosa significa esattamente “accoppiamento lento” o “accoppiamento stretto” in senso numerico? Se chiedi a 10 diversi guru dell'integrità del segnale, otterrai 20 risposte diverse!

In questo articolo, vogliamo avvicinarci a una descrizione realistica dell'accoppiamento stretto vs. accoppiamento lento in termini di spaziatura delle coppie differenziali, così come come la spaziatura delle coppie differenziali influisce su aspetti come l'impedenza, il rumore in modalità differenziale, la ricezione del rumore in modalità comune e la terminazione. Come vedremo, l'attenzione sull'accoppiamento stretto (qualsiasi cosa ciò debba significare) ha i suoi meriti, ma spesso è citato come necessario per le ragioni sbagliate.

Come lo Spazio tra Coppie Differenziali Influenza l'Integrità del Segnale

Esaminiamo ciascuna delle dimensioni che ho menzionato sopra per vedere esattamente dove lo spazio tra coppie differenziali gioca un ruolo, e come impostare il valore appropriato.

Impedenza

Il parametro primario in una coppia differenziale che è influenzato dalla spaziatura è l'impedenza. L'impedenza di una coppia differenziale dipende dalla capacità propria e dall'induttanza propria di ogni traccia, e dalla capacità mutua e dall'induttanza mutua tra ogni traccia. Questo significa che la formula per l'impedenza tipica di una coppia differenziale deve essere decomposta nell'impedenza dispari e nell'impedenza differenziale, che sono definite come segue:

L'induttanza mutua e la capacità esistono per dare alle due coppie un'induttanza totale e una capacità equivalenti, rispettivamente. Nell'equazione sopra, abbiamo ignorato le perdite (R e G nell'equazione dell'impedenza della linea di trasmissione), ma va bene, il punto qui è prestare attenzione alla spaziatura.

• Più si avvicinano le coppie, più l'impedenza differenziale si riduce perché L_M e C_M aumentano. Sia L_M che C_M tendono a zero man mano che la distanza aumenta all'infinito.

In altre parole, se stai progettando per raggiungere un obiettivo di impedenza differenziale (come specificato in uno standard o determinato da misurazioni), allora non puoi posizionare le due coppie troppo vicine, altrimenti non rispetterai l'obiettivo di impedenza poiché l'impedenza differenziale sarà troppo bassa. Tuttavia, una minore distanza concentrerà i campi elettrici e magnetici tra le due tracce lungo il percorso, il che aumenta le perdite.

La mutua induttanza e la mutua capacità tra due tracce non sono facili da calcolare, e non esistono formule chiuse semplici che si possono utilizzare. Ci sono alcune formule più lunghe in alcuni articoli di ricerca, ma sono molto lunghe e ingombranti. Un'opzione migliore è utilizzare un editor di stackup con un calcolatore integrato. Questo tipo di utility utilizza normalmente un risolutore di campi elettromagnetici per determinare l'impedenza di una coppia differenziale, piuttosto che determinare la mutua capacità e induttanza.

Suppressione del Rumore in Modo Comune

Le coppie differenziali sono talvolta descritte come immuni al crosstalk, anche se non è sempre specificato se ciò si riferisce a segnali single-ended o differenziali. Indipendentemente da ciò, la verità è che le coppie differenziali non sono immuni al crosstalk, sia che provenga da fonti di rumore in modo differenziale o da fonti di rumore in modo comune. Per saperne di più su quest'ultimo, puoi leggere questo articolo sul crosstalk differenziale.

Che dire del rumore in modo comune che si origina come diafonia? Se stai osservando una traccia aggressiva single-ended che induce un segnale in una coppia in modo differenziale vicina, la realtà è che non puoi mai garantire una totale soppressione del rumore in modo comune, indipendentemente da quanto strettamente instradi le due tracce in una coppia differenziale. Tuttavia, un accoppiamento più stretto aiuta.

Per capire il motivo, dobbiamo solo guardare come si diffondono nello spazio i campi da una traccia aggressiva single-ended. Poiché i campi diminuiscono con la distanza dalla traccia, la traccia più vicina nella coppia differenziale riceve più rumore rispetto a quella più lontana.

Qui, sostengo che la soluzione ottimale sia spostare la traccia single-ended più lontano dalla coppia differenziale, piuttosto che avvicinare semplicemente la coppia. Se questa non è una soluzione praticabile, allora uno spazio minore darà lo stesso effetto, ma con una maggiore perdita lungo la coppia differenziale.

EMI in modo differenziale

C'è un altro mito secondo cui le coppie differenziali non emettono EMI. Anche questo non è vero; se lo fosse, non saremmo in grado di misurare il diafonia differenziale. Tuttavia, l'EMI irradiata da una coppia differenziale è in modalità differenziale, quindi è meno intensa rispetto al rumore emesso da una traccia a terminazione singola o da un gruppo di tracce. Questo è uno dei motivi per cui è possibile trasmettere dati seriali ad altissima velocità attraverso un collegamento differenziale senza fallire costantemente i test EMC: c'è semplicemente meno rumore di quanto si vedrebbe se i dati fossero inviati attraverso una singola traccia.

Perché l'EMI differenziale sarebbe una preoccupazione solo quando si instradano dati seriali su una coppia differenziale lunga, potresti essere tentato di avvicinare le coppie per contrastare il rumore. Vorrei ribadire che le perdite (perdita di inserzione) sono molto più importanti in questa situazione. In un collegamento lungo in cui è necessario utilizzare coppie differenziali, le perdite domineranno il comportamento del canale, e non è necessario avere uno spazio estremamente stretto. Assicurati di simulare e misurare il comportamento del tuo canale, preferibilmente con una scheda di test, prima di finalizzare il design della tua coppia differenziale per l'uso con il tuo particolare standard di segnalazione.

Conversione di Modo e Riflessioni nel Tuning della Lunghezza

Ci sono due problemi correlati all'integrità del segnale creati dal forte accoppiamento all'interno di una struttura di regolazione della lunghezza::

• Conversione di modalità nelle strutture di regolazione della lunghezza
• Riflessioni all'ingresso di una struttura di regolazione della lunghezza

Questi due punti rappresentano un compromesso: le strutture di regolazione della lunghezza sono necessarie per allineare i segnali in fase, ma creano riflessioni e conversioni di modalità.

Quando un segnale differenziale si propaga lungo una struttura di regolazione della lunghezza, sperimenta una certa conversione di modalità, il che significa che il rumore in modalità comune può convertirsi in rumore in modalità differenziale, e viceversa. Quando lo spazio tra le coppie è minore, ci sarà una maggiore deviazione dell'impedenza in modalità dispari lungo la traccia con lunghezza corrispondente, così come un corrispondente maggiore cambiamento nel ritardo di propagazione su ogni traccia.

Il risultato è che la struttura di regolazione della lunghezza causa l'apparizione di parte del rumore in modalità comune come rumore in modalità differenziale al ricevitore, il che potrebbe poi violare il margine di rumore del ricevitore.

• Scopri di più sulla conversione di modalità nelle strutture di regolazione della lunghezza
• Scopri di più sull'impedenza delle strutture di regolazione della lunghezza

Perché concentrarsi sulla distanza e sull'abbinamento delle lunghezze?

Nel lontano passato, prima che i progettisti avessero accesso a una ricchezza di strumenti CAD e software professionale per la progettazione elettronica, applicare l'abbinamento delle lunghezze e uno spaziamento consistente a una coppia differenziale era un processo che richiedeva molto tempo. Oggi, i progettisti di PCB sono viziati dagli strumenti CAD che rendono estremamente facile applicare sezioni di abbinamento delle lunghezze a una coppia differenziale. Le regole di progettazione che si interfacciano con i tuoi strumenti di routing rendono anche estremamente facile applicare uno spaziamento consistente tra ogni traccia in una coppia differenziale, includendo spaziature molto strette se necessario.

Anche se potrebbe non essere necessario nei limiti dei metodi di terminazione tradizionali e degli obiettivi di impedenza differenziale, vediamo alcune ragioni per utilizzare uno spaziamento ridotto:

• Riduzione delle emissioni di rumore in modalità differenziale e del diafonia differenziale
• Maggiore probabilità che il rumore venga ricevuto come vero rumore in modalità comune
• Inferiore emissione di rumore in modalità differenziale tra la coppia

Tuttavia, contrariamente a quanto comunemente creduto, non è necessario optare per la minima distanza possibile per la terminazione, e ciò aumenterà le perdite lungo la lunghezza della coppia. Poi, una volta applicata la regolazione della lunghezza lungo una coppia ravvicinata, si vedrà una maggiore conversione di modalità e deviazione dell'impedenza quando la sezione di regolazione della lunghezza viene applicata. La terminazione è un argomento lungo che presenterò in alcuni video e in un altro articolo.Una panoramica può essere trovata in questo articolo, e il punto principale da ricordare è che la terminazione tratta la coppia differenziale come due segnali a terminazione singola, non in termini di qualche impedenza differenziale.

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