Pary różnicowe bez płaszczyzny masy: Czy to problem?

Pary różnicowe pomogły rozwiązać niektóre podstawowe problemy z integralnością sygnału, a nowoczesne narzędzia CAD ułatwiają ich projektowanie i trasowanie. Jednakże pary różnicowe nie są panaceum na każdy problem z integralnością sygnału, pomimo ich użyteczności w tłumieniu szumów wspólnych na niskopoziomowym odbiorniku. Zawsze pojawia się jedno pytanie, gdy dyskutuje się o trasowaniu par różnicowych: czy te ścieżki potrzebują płaszczyzny masy?

Czasami odpowiedź na to pytanie zależy od tego, kogo zapytasz i którego przykładu koncepcyjnego użyjesz, aby wyjaśnić, jak działają pary różnicowe. Jak większość pytań inżynierskich, z którymi spotykamy się na tym i innych blogach, wszystkie odpowiedzi, które znajdziesz na to pytanie, mają ziarno prawdy, i łatwo jest wyciągnąć te punkty z kontekstu. Spójrzmy, kiedy musisz użyć płaszczyzny masy dla par różnicowych, a kiedy trasowanie par różnicowych bez masy jest po prostu złym pomysłem.

Co to jest w ogóle płaszczyzna masy dla par różnicowych?

Jeśli chcesz wiedzieć, kiedy można trasować pary różnicowe bez masy, warto wiedzieć, co robi płaszczyzna masy i dlaczego jest ważna. Najpierw spójrzmy, co fizycznie robi płaszczyzna masy (poza byciem dużym przewodnikiem miedzianym):

• Pojemność: Jeśli sparujesz ją z płaszczyzną zasilającą na sąsiedniej warstwie, stworzysz fizycznie duży kondensator. Gdy obie płaszczyzny są blisko siebie (cienka laminacja między płaszczyznami), uzyskujesz większą pojemność międzywarstwową.
• Ekranowanie: Płaszczyzna masy zapewnia dużą źródło/sump ładunku. Sposób, w jaki ładunek jest pobierany lub wprowadzany do płaszczyzny masy, jest w zasadzie nieistotny. Ponadto, zapewnia ona ładunek obrazowy do zakończenia pól elektrycznych skierowanych do płaszczyzny.
• Pojedynczy punkt odniesienia: Idealnie, zapewnia potencjał odniesienia. Innymi słowy, może być używana do zapewnienia punktu odniesienia dla każdego pomiaru napięcia, włączając w to pomiary napięcia używane przez układy scalone do rejestrowania poziomów logiki. Sygnał 3,3 V mierzony na końcu nadawczym bezstratnego połączenia jest z dużym prawdopodobieństwem widziany jako 3,3 V na końcu odbiorczym.

Oprócz niektórych innych funkcji, takich jak zapewnienie prostego sposobu na rozprowadzanie ciepła i mocy po całej płytce, płaszczyzny masy zapewniają pewne podstawowe funkcje elektryczne, które czasami nie są omawiane, dopóki nie dotrze się do studiów magisterskich z elektromagnetyzmu. W każdym razie, ostatnie dwa punkty mają znaczenie dla par różnicowych bez masy. Jeśli dobrze wykonasz trasowanie, możesz nie potrzebować masy dla par różnicowych.

Twoje pary różnicowe, płaszczyzny masy i poziomy sygnału

Sposób, w jaki para różnicowa polega na płaszczyźnie masy, zależy od kilku czynników i odnosi się do pasożytniczych właściwości, które rządzą impedancją. Najpierw przyjrzyjmy się pasożytniczym właściwościom między parami różnicowymi. Wszystkie pary różnicowe mają pewną małą ilość pasożytniczej pojemności między sobą, która łączy się z ich pasożytniczą indukcyjnością oraz rodzimą pasożytniczą pojemnością względem płaszczyzn masy.

Te pasożytnicze właściwości wywołują dwa efekty:

• Pasożytnicza wzajemna pojemność i wzajemna indukcyjność zapewniają sprzężenie między dwiema liniami w parze, co pomaga określić ich impedancję różnicową.
• Pasożytnicza pojemność w stosunku do płaszczyzn odniesienia pozwala na propagację prądu przesunięcia w płaszczyźnie masy.

Razem, pasożytnicze właściwości określają impedancję różnicową pary oraz impedancję pojedynczego (nieparzystego trybu) śladu w parze.

Jeśli istnieje prąd zwrotny pod ścieżkami w parze różnicowej (zakładając, że mówimy w ten sam sposób, co dla ścieżek jednostronnych), leży on bardzo blisko pod parą i zbliża się do zera w punkcie środkowym między parą. Dla sygnałów wysokiej prędkości można by oczekiwać, że rozkład dowolnego prądu zwrotnego pod ścieżką będzie przybliżenie Gaussa. Jest to pokazane na wykresie na poniższym obrazie.

Tutaj, aby zapewnić „ścieżkę powrotną”, naprawdę nie potrzebujemy płaszczyzny masy. Wyobraźmy sobie, że powoli zwiększamy odległość między płaszczyzną masy a ścieżkami na powyższym rysunku. Wszystkie linie pola elektrycznego wychodzące ze ścieżki dodatniej kończyłyby się na ścieżce ujemnej. Wyjaśnia to definicję impedancji różnicowej: jest to impedancja między dwiema ścieżkami ze względu na ich wzajemne sprzężenie. Pomaga to również wyjaśnić, dlaczego poziomy sygnałów w parze różnicowej są odczytywane jako różnica wartości na każdej ścieżce.

To miejsce, w którym ktoś zapyta: „Jak prąd przepływa z pozytywnego śladu do negatywnego? Musi to nastąpić przez układ scalony (IC)!” Co ciekawe, Lee Ritchey twierdzi, że zna podręcznik, na okładce którego znajduje się właśnie taki rysunek. Zamiast pytać, gdzie przepływa prąd, sugeruję inżynierom odejście od tego pomysłu, że prąd „przepływa” gdziekolwiek, jak woda w rurze.

Gdy fala jest wzbudzana na jednym końcu śladu, pole elektryczne jest pobudzane przez pewien rozkład wolnego ładunku na przewodniku. Pole elektryczne z jednego przewodnika indukuje polaryzację w przeciwnym przewodniku, co jest postrzegane jako prąd przesunięcia. Gdy fala propaguje się wzdłuż pary różnicowej, tak samo ten nierównowaga ładunku przemieszcza się wzdłuż obu par. Szybkość, z jaką ta nierównowaga ładunku przemieszcza się wzdłuż śladu, jest faktycznie prądem zwrotnym. Należy zauważyć, że istnieje również wkład indukcyjności wzajemnej, i ta sama wyjaśnienie ma zastosowanie.

Dlaczego używać płaszczyzny masy dla par różnicowych?

Jednym z punktów, który każdy porusza w kontekście ścieżek jednostronnych, ale zapomina przy ścieżkach różnicowych, jest poziom izolacji zapewniany przez płaszczyznę masy. Mówiąc prosto, płaszczyzna masy umieszczona blisko par różnicowych zniekształca linie pola i kończy je na powierzchni płaszczyzny. Jeśli masz trasowanie par różnicowych na dwóch sąsiadujących warstwach, możesz izolować pary, po prostu umieszczając płaszczyznę masy między warstwami.

To prowadzi do kolejnego powodu, dla którego warto używać płaszczyzny masy: tłumienie przeplotu różnicowego. Linie pola pokazane poniżej ilustrują, dlaczego pary różnicowe mogą indukować przeplot w innej ścieżce, w tym w innej parze różnicowej. Po obu stronach ścieżki. Jeśli przeczytasz artykuł, do którego powyżej podałem link, zobaczysz, że większe odległości między parą różnicową a jej płaszczyzną masy zwiększą poziom przeplotu indukowanego w innej ścieżce (czy to jednostronnej, czy różnicowej).

Jest to spowodowane polami otaczającymi każdą ścieżkę w parze różnicowej, jak pokazano na poniższym obrazie. Tutaj, pole nie jest równe zero na krawędziach pary, co oznacza, że może indukować szum wspólny lub różnicowy w innej ścieżce. Oprócz izolacji między warstwami, użycie płaszczyzny masy zapewnia również dodatkową izolację między parą różnicową a jakimikolwiek innymi ścieżkami na tej samej warstwie. Może to pozwolić na prowadzenie ścieżek bliżej siebie.

Brak masy i problem przesunięcia masy

Należy zauważyć, że jeśli planujesz używać par różnicowych bez uziemienia, jednocześnie zapobiegając innym problemom z EMI, musisz zastosować dopasowanie długości, aby sygnały na parze różnicowej docierały do odbiornika w ramach ich budżetu czasowego. Wynika to z faktu, że gdy niesparowane sygnały docierają do odbiornika, mierzona jest ich różnica, ale każda niezgodność może zmniejszyć zdolność odbiornika do redukcji trybu wspólnego. Pod względem prądu zwrotnego w dowolnym pobliskim odniesieniu, technicznie wytworzyłoby to chwilowy wzrost prądu w najbliższym regionie pojemnościowo sprzężonym z ziemią. Jeśli region ziemi jest daleko od par (tj. daleka płaszczyzna lub obudowa), wtedy twój krótki impuls elektromagnetyczny może promieniować, skutecznie jako własne źródło szumu trybu wspólnego. Jednak w praktycznym sensie, to promieniowanie nie jest tak dużym problemem, chyba że w gęsto zapakowanych PCB, w takim przypadku i tak powinieneś stosować więcej miejsca między komponentami podatnymi na przeplot.

Główną zaletą stosowania par różnicowych jest odporność na przesunięcia potencjału względem masy. Pary różnicowe są generalnie odporne na przesunięcia potencjału względem masy i nie wymagają łączenia mas po obu stronach połączenia różnicowego, np. za pomocą kabla ekranowanego. Przesunięcia potencjału względem masy stanowią problem tylko w sygnalizacji jednostronnej, ponieważ przesunięcie potencjału względem masy zmieni poziom sygnału na płytce. Można to zilustrować schematycznie na PCB z oddzielnymi płaszczyznami masy, lub dla długiego kabla prowadzonego między dwoma zamkniętymi systemami, jak pokazano poniżej.

Ponieważ para różnicowa polega na mierzeniu różnicy między sygnałami po obu stronach pary, przesunięcie potencjału względem masy nie ma znaczenia w tym połączeniu. Chociaż może to nie być takim problemem na PCB z jednolitą płaszczyzną masy, jest to prawdziwy problem w długich łączach elektrycznych używanych do łączenia odległego sprzętu.

W zależności od tego, jak zaimplementowano zakończenie i jakie są odchylenia impedancji między każdą stroną pary, rzeczywista metoda kompensacji przesunięcia masy jest implementowana za pomocą źródła prądu na jednym końcu łącza (jest to wbudowane w odbiornik). Z zaimplementowanym zakończeniem na krzemie w nowoczesnych komponentach odbiorników i nadajników różnicowych, naprawdę nie musisz się tym martwić. Twoim zadaniem jako projektanta jest upewnienie się, że osiągasz wymagane cele impedancji i minimalizujesz skośność poniżej dopuszczalnych limitów dla twojego konkretnego interfejsu.

Co określa impedancję, jeśli nie ma masy?

Dla pojedynczej ścieżki, charakterystyczna impedancja zależy od stosunku szerokości ścieżki do grubości dielektryka. Jeśli masz mikropaskę i zwiększysz odległość do masy do bardzo dużej wartości, charakterystyczna impedancja ścieżki wzrośnie logarytmicznie do bardzo dużych wartości. Więc, jak impedancja pary różnicowej pozostaje na stałej wartości, jeśli nie ma płaszczyzny masy i charakterystyczna impedancja każdej ścieżki staje się bardzo duża?

• Odpowiedź tkwi w odległości między ścieżkami w parze. Celowa różnicowa impedancja, jak również impedancja pojedynczej ścieżki każdej z nich, jest utrzymywana poprzez zachowanie stałej odległości między dwiema ścieżkami. Ustala to impedancję pojedynczej ścieżki ORAZ różnicową impedancję na wartości docelowej, nawet jeśli nie ma płaszczyzny masy!

Przy danej odległości, impedancja pojedynczej ścieżki każdej z nich będzie ustawiona na impedancję nieparzystego trybu ze względu na sprzężenie między dwiema ścieżkami. Impedancja ścieżki, która wpływa na propagację sygnału na każdej ścieżce w parze, to impedancja nieparzystego trybu, a nie impedancja charakterystyczna. Powinno to wyjaśnić rolę kabli, które przenoszą sygnały różnicowe; sprzężenie między nimi utrzymuje impedancję poszczególnych przewodów na wymaganym poziomie nieparzystego trybu, a nie obecność jakiejkolwiek pobliskiej płaszczyzny masy (jest to całkowicie arbitralne w nieekranowanych kablach bez przewodu uziemiającego).

Jeśli poprowadzisz ścieżkę nad przerwą w masie, a następnie z powrotem nad płaszczyzną masy, co się stanie? W zależności od rozmiaru przerwy i odległości do płaszczyzny, możesz zauważyć nieciągłość impedancji. Musisz upewnić się, że impedancje ścieżek są dopasowane w każdej sekcji, oraz że impedancja wejściowa jest niewidoczna, aby zapobiec odbiciom. Upewnij się, że uwzględnisz to w swoim kalkulatorze impedancji i układu warstw.

Nowoczesne programy do projektowania PCB, takie jak Altium Designer®, oferują kompletny zestaw narzędzi do trasowania dla projektów z kontrolowaną impedancją wysokiej prędkości, co czyni pary różnicowe bez masy łatwą funkcją do trasowania w układzie PCB. Altium Designer na Altium 365® dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jedno z Webinarów na Żądanie.