グラウンドプレーンがない差動ペア：問題ですか？

差動ペアは、基本的な信号整合性の問題を解決するのに役立ち、現代のCADツールによって設計や配線が容易になりました。しかし、差動ペアが低レベル受信機での共通モードノイズを抑制するのに有用であるにもかかわらず、すべての信号整合性の問題に対する万能薬ではありません。差動ペアの配線に関して常に尋ねられる質問があります：これらのトレースにはグラウンドプレーンが必要ですか？

この質問への回答は、誰に尋ねるか、差動ペアの動作を説明するために使用する概念例によって異なる場合があります。このブログや他のブログで遭遇するほとんどのエンジニアリングの質問と同様に、この質問に対して見つけるすべての回答には真実の核があり、それらのポイントを文脈から外すのは簡単です。差動ペアのグラウンドプレーンを使用する必要がある場合と、グラウンドなしで差動ペアを配線するのが単に悪いアイデアである場合を見てみましょう。

そもそも差動ペアグラウンドプレーンとは何ですか？

グラウンドなしで差動ペアを配線するのが適切な場合を知りたいなら、グラウンドプレーンが何をするのか、そしてなぜ重要なのかを知ることが重要です。まず、グラウンドプレーンが物理的に何をするのか（単に大きな銅導体であることを超えて）見てみましょう：

• 容量：隣接する層に電源プレーンを組み合わせると、物理的に大きなコンデンサが作成されます。二つのプレーンが近接している（プレーン間のラミネートが薄い）場合、プレーン間容量が大きくなります。
• シールディング：グラウンドプレーンは、大きな充放電源/シンクを提供します。グラウンドプレーンからどのように電荷が引き出されたり沈められたりするかは基本的に関係ありません。さらに、プレーンに向かっている電場を終端するための像電荷を提供します。
• 単一の参照点：理想的には、参照電位を提供します。言い換えれば、ICが論理レベルを登録するために使用する電圧「測定」を含む、任意の電圧測定のための参照点を提供することができます。損失のない相互接続の駆動端で測定される3.3 Vの信号は、受信端でも3.3 Vとして確実に認識されると考えられます。

ボード全体に熱と電力を簡単に分配するような他の機能を提供することとは別に、グラウンドプレーンは時々大学院レベルの電磁気学のクラスになるまで議論されない基本的な電気機能を提供します。とにかく、最後の二点はグラウンドなしで差動ペアにとって重要です。ルーティングを正しく行えば、差動ペアにグラウンドが必要ないかもしれません。

差動ペア、グラウンド プレーン、および信号レベルです

差動ペアがグラウンドプレーンに依存する方法は、いくつかの要因に依存し、インピーダンスを支配する寄生成分に関連しています。まず、差動ペア間の寄生成分について見てみましょう。すべての差動ペアには、それらの寄生インダクタンスとグラウンドプレーンに対する固有の寄生キャパシタンスと組み合わさる、わずかな量の寄生キャパシタンスがあります。

これらの寄生成分は2つの効果を生み出します：

• 寄生相互キャパシタンスと相互インダクタンスは、ペア内の2つの線間の結合を提供し、それらの差動インピーダンスを決定するのに役立ちます。
• 基準面への寄生キャパシタンスは、グラウンドプレーン内で変位電流が伝播することを可能にします。

これらの寄生成分が合わさって、ペアの差動インピーダンスと、ペア内の個々のトレースの単端（奇モードインピーダンス）を決定します。

トレースの下に戻り電流がある場合（単終端トレースについて話しているのと同じように仮定すると）、その電流はペアの非常に近くにあり、ペアの中間点でゼロに近づきます。高速信号の場合、トレースの下の任意の戻り電流の分布がおおよそガウス分布であると期待されるかもしれません。これは下の画像のグラフに示されています。

ここで、「戻り経路」を提供するために、実際にはグラウンドプレーンは必要ありません。上記の図でグラウンドプレーンとトレースの間の距離をゆっくりと増やしてみてください。正のトレースから発生するすべての電界線は、負のトレースで終わります。これが差動インピーダンスの定義を説明しています：それは相互結合による二つのトレース間のインピーダンスです。これはまた、差動ペアの信号レベルが各トレース上の値の差として読まれる理由を説明するのにも役立ちます。

これは、誰かが「電流はどのようにしてプラスのトレースからマイナスのトレースへ流れるのか？ICを通じて流れるに違いない！」と尋ねるところです。奇妙なことに、Lee Ritcheyはこの特定のグラフィックを表紙に掲載している教科書を知っていると主張しています。電流がどこに「流れる」のかを尋ねるよりも、私はエンジニアに対して、電流が水道管の中の水のように「流れる」という考えから離れることを提案します。

トレースの一端で波が励起されると、導体上の自由電荷分布によって電場が励起されます。一方の導体からの電場は、反対側の導体における分極を誘導し、これは変位電流として見られます。波が差動ペアを伝播するにつれて、この電荷の不均衡も二つのペアに沿って移動します。この電荷の不均衡がトレースに沿って移動する速度は、実際にはリターン電流です。相互インダクタンスからの寄与もあり、同じ説明が適用されます。

差動ペアにグラウンドプレーンを使用する理由は？

シングルエンドトレースについては誰もが指摘するポイントがありますが、差動トレースについては忘れがちなのが、グラウンドプレーンによって提供される隔離レベルです。簡単に言うと、差動ペアの近くにグラウンドプレーンがあると、その場の線が歪み、プレーンの表面で終了します。隣接する2つのレイヤー上に差動ペアのルーティングがある場合、レイヤーの間にグラウンドプレーンを配置するだけでペアを隔離できます。

これはグラウンドプレーンを使用するもう一つの理由につながります：差動クロストークの抑制。下に示された場の線は、差動ペアが別のトレース、別の差動ペアを含むトレースにクロストークを誘発する理由を説明しています。トレースの両側に。上記の記事を読むと、差動ペアとそのグラウンドプレーンとの距離が大きいほど、別のトレース（シングルエンドまたは差動）に誘発されるクロストークのレベルが高くなることがわかります。

これは、下の画像に示されているように、差動ペアの各トレースを取り巻くフィールドによるものです。ここで、ペアの端におけるフィールドはゼロではなく、これは他のトレースに共通モードまたは差動ノイズを誘導する可能性があります。層間の隔離に加えて、グラウンドプレーンを使用することで、差動ペアと同じ層上の他のトレースとの間に追加の隔離を提供します。これにより、トレースをより近くに配置できるかもしれません。

グラウンドの欠如とグラウンドオフセット問題

注意してください。グラウンドなしで差動ペアを使用し、他のEMI問題を防ぐ予定の場合、差動ペア上の信号がタイミング予算内で受信機に到着するように長さのマッチングを適用する必要があります。これは、マッチしていない信号が受信機に到着した場合、その差が測定されますが、不一致は受信機の共通モード低減能力を低下させる可能性があるためです。近くの参照における帰還電流に関しては、これは技術的に最も近い静電容量結合地域で一時的な電流バーストを生じさせます。地域がペアから遠い場合（つまり、遠くの平面やシャーシ）、その短い電磁バーストは放射することができ、効果的に独自の共通モードノイズ源として機能します。しかし、実際の意味では、この放射は密集したPCBではない限り、それほど心配することはありません。その場合は、どのようにしてもクロストークを起こしやすいコンポーネントの間にもっとスペースを取るべきです。

差動ペアを使用する主な利点は、グラウンドオフセットに対する免疫性です。差動ペアは一般的にグラウンドオフセットに対して免疫があり、差動リンクの両側のグラウンドをブリッジする必要がありません。例えば、シールドケーブルで。グラウンドオフセットは、グラウンドオフセットがボード内の信号レベルを変更するため、単終端信号伝送でのみ問題となります。これは、別々のグラウンドプレーンを持つPCBや、以下に示すように、2つの閉じたシステム間でルーティングされた長いケーブルで模式的に示すことができます。

差動ペアはペアの各側の信号間の差を測定に依存しているため、このリンクではグラウンドオフセットは問題になりません。これは、均一なグラウンドプレーンを持つPCB上ではそれほど問題ではないかもしれませんが、遠隔地の機器を接続するために使用される長い電気リンクでは実際の問題です。

終端がどのように実装され、ペアの各側のインピーダンス偏差に応じて、実際のグラウンドオフセット補償方法はリンクの一方の端にある電流源（これは受信機に組み込まれています）で実装されます。現代の差動受信機および送信機コンポーネントにオンダイ終端が実装されているため、これについて心配する必要は実際にはありません。設計者としてのあなたの仕事は、必要なインピーダンス目標を達成し、特定のインターフェースに対して許容可能な限界以下でスキューを最小限に抑えることです。

グラウンドがない場合、インピーダンスを決定するものは何ですか？

単一のトレースの場合、特性インピーダンスはトレース幅と誘電体厚さの比率に依存します。マイクロストリップを持っていて、グラウンドまでの距離を非常に大きな値に増やすと、トレースの特性インピーダンスは非常に大きな値まで対数的に増加します。では、グラウンドプレーンがなく、各トレースの特性インピーダンスが非常に大きくなる場合、差動ペアのインピーダンスはどのようにして固定値で留まるのでしょうか？

• 解答は、ペア内のトレース間の間隔にあります。差動インピーダンス目標、および各トレースの単線インピーダンスは、2つのトレース間の間隔を一定に保つことで維持されます。これにより、グラウンドプレーンがなくても、単線インピーダンスと差動インピーダンスが目標値に設定されます。

与えられた間隔において、各トレースの単線インピーダンスは、2つのトレース間の結合により奇模インピーダンスに設定されます。ペア内の各トレースで信号伝播に影響を与えるトレースインピーダンスは、特性インピーダンスではなく奇模インピーダンスです。これは、差動信号を運ぶケーブルの役割を説明するべきです。それらの間の結合が、近くのグラウンドプレーンの存在（これはグラウンド導体のない非遮蔽ケーブルでは完全に任意です）ではなく、必要な奇模値に個々のワイヤインピーダンスを設定します。

グラウンドギャップを越えてから再びグラウンドプレーンの上をルーティングすると、何が起こるでしょうか？ギャップのサイズとプレーンまでの距離によって、インピーダンスの不連続が発生する可能性があります。各セクションでトレースのインピーダンスが一致していること、そして入力インピーダンスが反射を防ぐために見えない状態であることを確認する必要があります。この点をインピーダンスおよびスタックアップ計算機で考慮することを忘れないでください。

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