Дифференциальные пары без заземляющей плоскости: это проблема?

Дифференциальные пары помогли решить некоторые основные проблемы целостности сигнала, и современные САПР упрощают их проектирование и трассировку. Однако, несмотря на их полезность в подавлении общемодовых помех на приемнике низкого уровня, дифференциальные пары не являются панацеей для всех проблем целостности сигнала. Всегда возникает вопрос, когда речь заходит о трассировке дифференциальных пар: нужен ли этим дорожкам земляной слой?

Иногда ответ на этот вопрос зависит от того, кого вы спрашиваете и какой концептуальный пример вы используете для объяснения работы дифференциальных пар. Как и большинство инженерных вопросов, с которыми мы сталкиваемся на этом и других блогах, на все эти вопросы есть зерна истины, и легко вырвать эти моменты из контекста. Давайте посмотрим, когда вам нужно использовать земляной слой для дифференциальных пар и когда трассировка дифференциальных пар без заземления является плохой идеей.

Что такое земляной слой для дифференциальных пар вообще?

Если вы хотите знать, когда можно трассировать дифференциальные пары без заземления, полезно знать, что делает земляной слой и почему он важен. Для начала давайте посмотрим, что делает земляной слой физически (помимо того, что это просто большой медный проводник):

• Емкость: Когда она сочетается с плоскостью питания на соседнем слое, вы создаете физически большой конденсатор. Когда две плоскости расположены близко друг к другу (тонкий ламинат между плоскостями), у вас получается большая межплоскостная емкость.
• Экранирование: Плоскость заземления обеспечивает большой источник/сток заряда. Как заряд притягивается или уходит в плоскость заземления, по сути, не имеет значения. Кроме того, она обеспечивает зеркальный заряд для завершения электрических полей, направленных в плоскость.
• Единая точка отсчета: В идеале она обеспечивает потенциал отсчета. Другими словами, ее можно использовать для обеспечения точки отсчета для любого измерения напряжения, включая измерения напряжения, используемые интегральными схемами для регистрации логических уровней. Сигнал 3,3 В, который вы измеряете на передающем конце без потерь соединения, с достаточной уверенностью будет воспринят как 3,3 В на приемном конце.

Помимо некоторых других функций, таких как обеспечение простого способа распределения тепла и энергии по всей плате, плоскости заземления выполняют некоторые базовые электрические функции, о которых иногда не говорят, пока вы не дойдете до курса электромагнетизма уровня магистратуры. В любом случае, последние два пункта важны для дифференциальных пар без заземления. Если вы правильно проведете трассировку, вам может не понадобиться заземление для дифференциальных пар.

Ваши дифференциальные пары, земляные плоскости и уровни сигналов

Способ, которым дифференциальная пара зависит от земляной плоскости, определяется несколькими факторами и связан с паразитными параметрами, определяющими импеданс. Для начала давайте рассмотрим паразитные параметры между дифференциальными парами. Все дифференциальные пары имеют некоторое небольшое количество паразитной емкости между собой, которая в сочетании с их паразитной индуктивностью и родной паразитной емкостью по отношению к земляным плоскостям.

Эти паразитные параметры вызывают два эффекта:

• Паразитная взаимная емкость и взаимная индуктивность обеспечивают связь между двумя линиями в паре, что помогает определить их дифференциальный импеданс.
• Паразитная емкость обратно к опорным плоскостям позволяет смещающему току распространяться в земляной плоскости.

Вместе паразитные параметры определяют дифференциальный импеданс пары и одиночный (нечетный режим импеданса) отдельного следа в паре.

Если есть возвратный ток под следами в дифференциальной паре (предполагая, что мы говорим так же, как и для однопроводных следов), он находится очень близко под парой и приближается к нулю в середине между парами. Для высокоскоростных сигналов можно ожидать, что распределение любого возвратного тока под следом будет примерно гауссовым. Это показано на графике на изображении ниже.

Здесь, чтобы обеспечить "возвратный путь", нам действительно не нужен заземляющий слой. Представьте, если бы мы медленно увеличивали расстояние между заземляющим слоем и следами на вышеупомянутом рисунке. Все линии электрического поля, исходящие от положительного следа, заканчивались бы на отрицательном следе. Это объясняет определение дифференциального импеданса: это импеданс между двумя следами из-за их взаимной связи. Это также помогает объяснить, почему уровни сигналов в дифференциальной паре считываются как разница между значениями на каждом следе.

Вот где кто-то спросит: "Как ток течет от положительного проводника к отрицательному? Это должно происходить через ИС!" Странно, но Ли Ричи утверждает, что знает учебник, на обложке которого показан именно этот график. Вместо того чтобы спрашивать, куда течет ток, я предлагаю инженерам отказаться от этой идеи, что ток "течет" где-то, как вода в трубе.

Когда волна возбуждается на одном конце проводника, электрическое поле возбуждается некоторым свободным распределением заряда на проводнике. Электрическое поле от одного проводника индуцирует поляризацию в противоположном проводнике, что воспринимается как смещенный ток. По мере распространения волны по дифференциальной паре также распространяется этот дисбаланс заряда вдоль двух пар. Скорость, с которой этот дисбаланс заряда перемещается вдоль проводника, действительно является возвратным током. Заметьте, что есть также вклад от взаимной индуктивности, и то же объяснение применимо.

Почему использовать земляную плоскость для дифференциальных пар?

Одна из точек, на которую все обращают внимание при использовании однопроводных трасс, но забывают при дифференциальных трассах, это уровень изоляции, обеспечиваемый земляной плоскостью. Проще говоря, земляная плоскость, расположенная рядом с дифференциальными парами, искажает линии поля и завершает их на поверхности плоскости. Если у вас есть маршрутизация дифференциальной пары на двух соседних слоях, вы можете изолировать пары, просто поместив земляную плоскость между слоями.

Это приводит к другой причине использования земляной плоскости: подавление дифференциальной перекрестной помехи. Линии поля, показанные ниже, иллюстрируют, почему дифференциальные пары могут вызывать перекрестные помехи в другой трассе, включая другую дифференциальную пару. С любой стороны трассы. Если вы прочитаете статью, на которую я ссылаюсь выше, вы увидите, что большие расстояния между дифференциальной парой и ее земляной плоскостью увеличивают уровень перекрестных помех, вызванных в другой трассе (будь то однопроводная или дифференциальная).

Это связано с полями, окружающими каждый проводник в дифференциальной паре, как показано на изображении ниже. Здесь поле не равно нулю на краях пары, что означает, что оно может индуцировать общемодовые или дифференциальные помехи в другом проводнике. В дополнение к изоляции между слоями, использование заземляющей плоскости также обеспечивает дополнительную изоляцию между дифференциальной парой и любыми другими проводниками на том же слое. Это может позволить вам прокладывать проводники ближе друг к другу.

Отсутствие заземления и проблема смещения заземления

Обратите внимание, что если вы планируете использовать дифференциальные пары без заземления, предотвращая при этом другие проблемы с ЭМИ, вам необходимо применить согласование длин, чтобы сигналы на дифференциальной паре приходили на приемник в пределах их временного бюджета. Это связано с тем, что когда несогласованные сигналы приходят на приемник, измеряется их разность, но любое несоответствие может снизить способность приемника к уменьшению общего режима. С точки зрения возвратного тока в любой близлежащей опоре, это технически производит моментальный всплеск тока в ближайшей емкостно связанной зоне заземления. Если зона заземления находится далеко от пар (например, далекая плоскость или шасси), то у вас короткий электромагнитный всплеск может излучать, эффективно как собственный источник шума общего режима. Однако на практике это излучение не так уж и беспокоит, за исключением, возможно, плотно упакованных печатных плат, в этом случае вам следует применять больше пространства между компонентами, склонными к перекрестным помехам.

Основным преимуществом использования дифференциальных пар является их устойчивость к смещению потенциала земли. Дифференциальные пары, как правило, нечувствительны к смещениям земли и не требуют соединения земель с каждой стороны дифференциальной связи, например, с помощью экранированного кабеля. Смещения земли являются проблемой только для однополярной сигнализации, поскольку смещение земли изменит уровень сигнала на плате. Это может быть схематически показано на печатной плате с отдельными земляными плоскостями или для длинного кабеля, проложенного между двумя закрытыми системами, как показано ниже.

Поскольку дифференциальная пара основана на измерении разницы между сигналами с каждой стороны пары, смещение земли в этой связи не имеет значения. Хотя это может быть не такой уж проблемой на печатной плате с единым земляным полем, это является реальной проблемой на длинных электрических связях, используемых для соединения удаленного оборудования.

В зависимости от того, как реализована терминировка и каковы отклонения импеданса между каждой стороной пары, реальный метод компенсации смещения земли реализуется с помощью источника тока на одном конце связи (он встроен в приемник). С реализацией терминирования на кристалле в современных компонентах дифференциальных приемников и передатчиков вам действительно не о чем беспокоиться. Ваша задача как разработчика - обеспечить достижение требуемых целей по импедансу и минимизировать сдвиг ниже допустимых пределов для вашего конкретного интерфейса.

Что определяет импеданс, если нет земли?

Для одиночного следа характеристический импеданс зависит от соотношения ширины следа к толщине диэлектрика. Если у вас есть микрополоска, и вы увеличиваете расстояние до земли до очень большого значения, характеристический импеданс следа будет логарифмически увеличиваться до очень больших значений. Так как же импеданс дифференциальной пары остается фиксированным, если нет земляного слоя и характеристический импеданс каждого следа становится очень большим?

• Ответ заключается в расстоянии между дорожками в паре. Целевое значение дифференциального импеданса, а также одиночный импеданс каждой дорожки, поддерживается за счет поддержания постоянного расстояния между двумя дорожками. Это устанавливает одиночный импеданс И дифференциальный импеданс на целевое значение, даже если нет земляного слоя!

При данном расстоянии одиночный импеданс каждой дорожки будет установлен на значение импеданса нечетного режима из-за связи между двумя дорожками. Импеданс дорожки, который влияет на распространение сигнала на каждой дорожке в паре, это импеданс нечетного режима, а не характеристический импеданс. Это должно объяснить роль кабелей, которые передают дифференциальные сигналы; связь между ними поддерживает импеданс отдельного провода на требуемом значении нечетного режима, а не наличие какого-либо близлежащего земляного слоя (это совершенно произвольно в незащищенных кабелях без заземляющего проводника).

Если вы проведете трассу через разрыв земли, а затем снова над плоскостью земли, что произойдет? В зависимости от размера разрыва и расстояния до плоскости, вы можете столкнуться с дисконтинуитетом импеданса. Вам нужно убедиться, что импедансы трасс согласованы в каждом сегменте, и что входной импеданс невидим, чтобы предотвратить отражения. Убедитесь, что вы учли это в вашем калькуляторе импедансов и стека слоев.

Современные программы для проектирования печатных плат, такие как Altium Designer®, предоставляют вам полный набор инструментов для трассировки высокоскоростных конструкций с контролируемым импедансом, делая дифференциальные пары без земли легкой функцией для трассировки в вашей компоновке печатной платы. Altium Designer на Altium 365® обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции в индустрии электроники, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

Мы только начали раскрывать возможности того, что можно делать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.