Czy powinieneś używać ciasnego czy luźnego rozmieszczenia i sprzęgania par różnicowych?

Otrzymujemy wiele pytań dotyczących impedancji ścieżek oraz tego, jak obliczyć odpowiedni rozmiar ścieżki, aby osiągnąć określoną impedancję na produkowalnej płytce PCB. Równie ważne, co określenie odpowiedniej szerokości ścieżki dla ścieżki jednostronnej, jest ustalenie odpowiedniego odstępu między dwiema ścieżkami w parze różnicowej. Więc pytanie brzmi, jak blisko siebie muszą być ścieżki w parze różnicowej i czy potrzeba „ściślej sprzężenia” jest naprawdę konieczna?

Co ciekawe w tej wytycznej projektowej, to prawdopodobnie jedyna zasada projektowania PCB, która jest najgorzej zdefiniowana. Co dokładnie oznacza „luźne sprzężenie” lub „ściśle sprzężenie” w sensie liczbowym? Jeśli zapytasz 10 różnych guru integralności sygnału, dostaniesz 20 różnych odpowiedzi!

W tym artykule chcemy przybliżyć się do realistycznego opisu ściśle sprzężenia w porównaniu z luźnym sprzężeniem pod kątem odstępu między parami różnicowymi, jak również tego, jak odstęp między parami różnicowymi wpływa na takie aspekty jak impedancja, szum w trybie różnicowym, odbiór szumu w trybie wspólnym i zakończenie. Jak zobaczymy, skupienie się na ściśle sprzężeniu (cokolwiek to ma znaczyć) ma swoje zalety, ale często jest cytowane jako konieczne z niewłaściwych powodów.

Jak odległość między parami różnicowymi wpływa na integralność sygnału

Przyjrzyjmy się każdemu z wymiarów, które wspomniałem powyżej, aby dokładnie zrozumieć, gdzie odległość między parami różnicowymi odgrywa rolę i jak ustawić odpowiednią wartość.

Impedancja

Głównym parametrem w parze różnicowej, który jest wpływany przez odstęp, jest impedancja. Impedancja pary różnicowej zależy od samopojejemności i samoindukcyjności każdej ścieżki oraz wzajemnej pojemności i wzajemnej indukcyjności między każdą ścieżką. Oznacza to, że wzór na typową impedancję różnicowej pary musi zostać rozłożony na impedancję nieparzystą i impedancję różnicową, które są zdefiniowane następująco:

Wzajemna indukcyjność i pojemność istnieją, aby dać obu parom równoważną całkowitą indukcyjność i pojemność, odpowiednio. W powyższym równaniu zignorowaliśmy straty (R i G w równaniu impedancji linii transmisyjnej), ale to w porządku, tutaj chodzi o zwrócenie uwagi na odstępy.

• Im bliżej umieścisz pary, tym mniejsza staje się impedancja różnicowa, ponieważ L_M i C_M stają się większe. Zarówno L_M, jak i C_M zbiegają do zera, gdy odległość dąży do nieskończoności.

Innymi słowy, jeśli projektujesz, aby osiągnąć celową impedancję różnicową (taką jak określona w standardzie lub ustalona na podstawie pomiarów), nie możesz umieścić dwóch par zbyt blisko siebie, w przeciwnym razie naruszysz cel impedancji, ponieważ impedancja różnicowa będzie zbyt mała. Jednak mniejsze odstępy skoncentrują pola elektryczne i magnetyczne między dwoma ścieżkami wzdłuż długości trasy, co zwiększa straty.

Wzajemna indukcyjność i wzajemna pojemność między dwoma ścieżkami nie są łatwe do obliczenia, i nie ma prostych wzorów zamkniętych, których można by użyć. Istnieją nieco dłuższe wzory w niektórych artykułach badawczych, ale są one bardzo długie i nieporęczne. Lepszą opcją jest użycie edytora układu warstw z wbudowanym kalkulatorem. Ten typ narzędzia zwykle używa rozwiązującego pola elektromagnetycznego do określenia impedancji pary różnicowej, zamiast określać wzajemną pojemność i indukcyjność.

Tłumienie szumów wspólnych

Pary różnicowe są czasami opisywane jako odporne na przeplot, chociaż nie zawsze jest to stwierdzone, czy chodzi o sygnały jednostronne czy różnicowe. Niezależnie od tego, prawda jest taka, że pary różnicowe nie są odporne na przeplot, zarówno od źródeł szumów różnicowych, jak i wspólnych. Aby dowiedzieć się więcej o tym pierwszym, możesz przeczytać ten artykuł o przeplotach różnicowych.

Co z szumem wspólnym, który powstaje jako przeplot? Jeśli przyjrzymy się pojedynczej agresywnej ścieżce, która indukuje sygnał w pobliskiej parze różnicowej, rzeczywistość jest taka, że nigdy nie można zagwarantować całkowitej supresji szumu wspólnego, bez względu na to, jak blisko poprowadzisz dwie ścieżki w parze różnicowej. Jednakże, ściślejsze sprzężenie pomaga.

Aby zrozumieć dlaczego, wystarczy spojrzeć, jak pola od pojedynczej agresywnej ścieżki rozprzestrzeniają się w przestrzeni. Ponieważ pola słabną wraz z odległością od ścieżki, bliższa ścieżka w parze różnicowej odbiera więcej szumu niż dalsza ścieżka.

Tutaj argumentowałbym, że optymalnym rozwiązaniem jest przesunięcie pojedynczej ścieżki dalej od pary różnicowej, a nie tylko zbliżenie pary do siebie. Jeśli to nie jest wykonalne rozwiązanie, wtedy mniejsze odstępy dadzą ten sam efekt, ale z większą stratą wzdłuż pary różnicowej.

EMI w trybie różnicowym

Istnieje jeszcze jeden mit, mówiący, że pary różnicowe nie emitują EMI. To również nieprawda; gdyby to było prawdą, nie bylibyśmy w stanie zmierzyć różnicowego przeplotu. Jednak promieniowane EMI przez parę różnicową występuje w trybie różnicowym, więc jest mniej intensywne niż szum emitowany przez pojedynczy ślad lub grupę śladów. Jest to jeden z powodów, dla których można przesyłać dane szeregowe o bardzo wysokiej prędkości przez połączenie różnicowe bez ciągłego oblanego testowania EMC: po prostu jest mniej szumu niż w przypadku, gdy dane byłyby przesyłane przez pojedynczy ślad.

Ponieważ EMI różnicowe byłoby problemem tylko w przypadku przesyłania danych szeregowych przez długą parę różnicową, możesz być skłonny zbliżyć parę do siebie, aby przeciwdziałać szumowi. Chciałbym ponownie stwierdzić, że straty (strata wstawienia) są w tej sytuacji znacznie ważniejsze. W długim łączu, gdzie musiałbyś użyć par różnicowych, straty będą dominować zachowanie kanału, i nie musisz mieć bardzo ciasnego rozstawienia. Upewnij się, że symulujesz i mierzysz zachowanie swojego kanału, najlepiej z użyciem płytki testowej, zanim ostatecznie zatwierdzisz projekt swojej pary różnicowej do użycia z twoim konkretnym standardem sygnalizacji.

Konwersja trybu i odbicia w dostrojeniu długości

Istnieją dwa powiązane problemy z integralnością sygnału, które są tworzone przez ścisłe sprzężenie wewnątrz struktury strojenia długości::

• Konwersja trybu w strukturach strojenia długości
• Odbicia na wejściu struktury strojenia długości

Te dwa punkty reprezentują kompromis: struktury strojenia długości są potrzebne do doprowadzenia sygnałów do fazy, ale tworzą odbicia i konwersję trybu.

Gdy sygnał różnicowy przemieszcza się wzdłuż struktury strojenia długości, doświadczy pewnej konwersji trybu, co oznacza, że szum wspólny może przekształcić się w szum różnicowy, i odwrotnie. Gdy odstępy między parami są mniejsze, będzie większe odchylenie impedancji trybu nieparzystego wzdłuż ścieżki o dopasowanej długości, jak również odpowiadająca temu większa zmiana opóźnienia propagacji na każdej ścieżce.

Wynikiem jest, że struktura strojenia długości powoduje, że pewien szum wspólny pojawia się jako szum różnicowy na odbiorniku, co może następnie naruszyć margines szumu odbiornika.

• Dowiedz się więcej o konwersji trybu w strukturach strojenia długości
• Dowiedz się więcej o impedancji struktur strojenia długości

Dlaczego skupiamy się na odstępach i dopasowaniu długości?

W odległej przeszłości, zanim projektanci mieli dostęp do bogactwa narzędzi CAD i profesjonalnego oprogramowania do projektowania elektroniki, stosowanie dopasowania długości i spójnego odstępu w parach różnicowych było procesem czasochłonnym. Dzisiaj projektanci PCB są rozpieszczani narzędziami CAD, które ułatwiają stosowanie sekcji dopasowania długości do pary różnicowej. Reguły projektowe, które współpracują z narzędziami do trasowania, również ułatwiają stosowanie spójnego odstępu między każdym śladem w parze różnicowej, w tym bardzo ciasnego odstępu, jeśli jest to potrzebne.

Mimo że może to nie być konieczne w ramach tradycyjnych metod zakończenia i celów impedancji różnicowej, widzimy kilka powodów, aby używać małego odstępu:

• Zmniejszona emisja szumów w trybie różnicowym i przeplot różnicowy
• Większe prawdopodobieństwo odbioru szumów jako prawdziwych szumów wspólnych
• Mniejsza emisja szumów w trybie różnicowym między parami

Jednakże, wbrew powszechnej opinii, wybór jak najmniejszego odstępu nie jest wymagany do zakończenia, i spowoduje to zwiększenie strat wzdłuż pary. Następnie, gdy zastosujesz strojenie długości wzdłuż blisko rozmieszczonej pary, zobaczysz większą konwersję trybu i odchylenie impedancji, gdy sekcja strojenia długości zostanie zastosowana. Zakończenie to długa dyskusja, którą przedstawię w niektórych filmach i w innym artykule. Przegląd można znaleźć w tym artykule, a głównym wnioskiem jest to, że zakończenie traktuje parę różnicową jako dwa sygnały jednostronne, a nie w kategoriach pewnej impedancji różnicowej.

Gdy potrzebujesz ustawić i utrzymać odstępy między parami różnicowymi oraz określone cele impedancji w swoim projekcie, użyj kompletnego zestawu funkcji do trasowania PCB i symulacji w Altium Designer^®. Zintegrowane narzędzia do trasowania dają ci wszystko, czego potrzebujesz, aby zakończyć fizyczny układ, jednocześnie zachowując zasady geometrii i cele impedancji. Gdy zakończysz projekt i chcesz wysłać pliki do swojego producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie twoich projektów.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.