Следует ли использовать плотное или свободное расположение и связывание дифференциальных пар?

Мы получаем много вопросов о сопротивлении следов и о том, как рассчитать подходящий размер следа для достижения определённого сопротивления на производимой печатной плате. Не менее важно, чем определение подходящей ширины следа для одиночного следа, является определение подходящего расстояния между двумя следами в дифференциальной паре. Так вопрос в том, насколько близко должны находиться следы в дифференциальной паре друг к другу, и действительно ли необходимо «плотное соединение»?

Интересно, что это руководство по проектированию, вероятно, является единственным правилом проектирования печатных плат, которое определено хуже всего. Что в численном смысле означают «слабое соединение» или «плотное соединение»? Если спросить у 10 разных экспертов по целостности сигнала, вы получите 20 разных ответов!

В этой статье мы хотим приблизиться к реалистичному описанию плотного и слабого соединения с точки зрения расстояния между следами дифференциальной пары, а также как расстояние между следами дифференциальной пары влияет на такие вещи, как сопротивление, шум в дифференциальном режиме, приём общего режима шума и завершение. Как мы увидим, акцент на плотном соединении (что бы это ни значило) имеет свои заслуги, но часто его цитируют как необходимое по неправильным причинам.

Как расстояние между дифференциальными парами влияет на целостность сигнала

Давайте рассмотрим каждое из упомянутых выше измерений, чтобы точно понять, какое значение имеет расстояние между дифференциальными парами и как установить подходящее значение.

Импеданс

Основным параметром в дифференциальной паре, который зависит от расстояния, является импеданс. Импеданс дифференциальной пары зависит от собственной емкости и собственной индуктивности каждого следа, а также от взаимной емкости и взаимной индуктивности между каждым следом. Это означает, что формула для типичного импеданса дифференциальной пары должна быть разложена на нечетный импеданс и дифференциальный импеданс, которые определяются следующим образом:

Взаимная индуктивность и емкость существуют для того, чтобы две пары имели эквивалентную общую индуктивность и емкость соответственно. В приведенном выше уравнении мы игнорировали потери (R и G в уравнении импеданса линии передачи), но это нормально, здесь важно обратить внимание на расстояние.

• Чем ближе вы размещаете пары, тем меньше становится дифференциальное сопротивление, поскольку L_M и C_M увеличиваются. Оба L_M и C_M стремятся к нулю по мере увеличения расстояния до бесконечности.

Другими словами, если вы проектируете с целью достижения целевого дифференциального сопротивления (как указано в стандарте или определено измерениями), то вы не можете размещать две пары слишком близко друг к другу, иначе вы не нарушите цель по сопротивлению, так как дифференциальное сопротивление будет слишком маленьким. Однако меньшее расстояние между парами будет концентрировать электрические и магнитные поля между двумя дорожками вдоль всего маршрута, что увеличивает потери.

Взаимная индуктивность и взаимная емкость между двумя дорожками не так просто рассчитать, и нет простых закрытых формул, которые можно было бы использовать. В некоторых научных статьях есть более длинные формулы, но они очень громоздкие. Лучшим вариантом является использование редактора стека с встроенным калькулятором. Такой тип утилиты обычно использует решатель электромагнитного поля для определения импеданса дифференциальной пары, а не для определения взаимной емкости и индуктивности.

Подавление шума общего режима

Иногда дифференциальные пары описывают как невосприимчивые к перекрестным помехам, хотя не всегда указывается, идет ли речь о сигналах с однополярным или дифференциальным выходом. Тем не менее, правда в том, что дифференциальные пары не защищены от перекрестных помех, будь то от источников шума дифференциального режима или источников шума общего режима. Чтобы узнать больше о первом, вы можете прочитать эту статью о дифференциальных перекрестных помехах.

Что насчет синфазных помех, возникающих в результате перекрестных помех? Если вы рассматриваете однопроводный агрессивный след, который индуцирует сигнал в близлежащей паре с дифференциальным режимом, на самом деле вы никогда не можете гарантировать полное подавление синфазных помех, независимо от того, насколько тесно вы прокладываете два следа в дифференциальной паре. Однако более тесная связь действительно помогает.

Чтобы понять почему, нам просто нужно посмотреть, как поля от однопроводного агрессивного следа распространяются в пространстве. Поскольку поля уменьшаются с расстоянием от следа, ближайший след в дифференциальной паре получает больше шума, чем более дальний след.

Здесь я бы утверждал, что оптимальным решением является перемещение однопроводного следа подальше от дифференциальной пары, а не просто сближение пары. Если это не является возможным решением, то меньшее расстояние даст тот же эффект, но с большими потерями вдоль дифференциальной пары.

Дифференциальный режим ЭМП

Еще один миф заключается в том, что дифференциальные пары не излучают ЭМИ. Это тоже неправда; если бы это было так, то мы не смогли бы измерить дифференциальную перекрестную помеху. Однако излучаемые ЭМИ от дифференциальной пары находятся в дифференциальном режиме, поэтому они менее интенсивны, чем шум, излучаемый одиночным проводником или группой проводников. Это одна из причин, по которой вы можете передавать данные серийной передачи с очень высокой скоростью по дифференциальной связи, не сталкиваясь постоянно с провалами при тестировании на ЭМС: просто шума меньше, чем если бы данные передавались по одному проводнику.

Поскольку дифференциальные ЭМИ могут быть проблемой только при маршрутизации серийных данных по длинной дифференциальной паре, вы можете быть склонны сблизить пару, чтобы противодействовать шуму. Я бы снова заявил, что потери (потери на вставку) в этой ситуации гораздо важнее. В длинной связи, где вам нужно использовать дифференциальные пары, потери будут доминировать в поведении канала, и вам не нужно иметь очень тесное расстояние. Убедитесь, что вы симулируете и измеряете поведение вашего канала, предпочтительно с использованием тестовой платы, прежде чем вы окончательно определите дизайн вашей дифференциальной пары для использования с вашим конкретным стандартом сигнализации.

Преобразование режима и отражения при настройке длины

В структуре настройки длины тесное соединение создает две связанные проблемы целостности сигнала::

• Преобразование режима в структурах настройки длины
• Отражения на входе структуры настройки длины

Эти два пункта представляют собой компромисс: структура настройки длины необходима для синхронизации сигналов по фазе, но она создает отражения и преобразование режима.

Когда дифференциальный сигнал проходит по структуре настройки длины, он будет испытывать некоторое преобразование режима, что означает, что шум общего режима может преобразоваться в шум дифференциального режима и наоборот. При меньшем расстоянии между парами будет большее отклонение импеданса нечетного режима вдоль трассы с согласованной длиной, а также соответствующее большее изменение задержки распространения на каждой трассе.

В результате структура настройки длины вызывает появление некоторого шума общего режима в виде шума дифференциального режима на приемнике, что может нарушить допустимый предел шума приемника.

• Узнайте больше о преобразовании режима в структурах настройки длины
• Узнайте больше об импедансе структур настройки длины

Почему акцент на расстоянии и согласовании длины?

В далеком прошлом, до того как у дизайнеров появился доступ к множеству инструментов CAD и профессиональному программному обеспечению для проектирования электроники, процесс применения согласования длины и обеспечения постоянного расстояния для дифференциальной пары был крайне времязатратным. Сегодня разработчики печатных плат избалованы инструментами CAD, которые делают чрезвычайно простым применение секций согласования длины к дифференциальной паре. Правила проектирования, взаимодействующие с вашими инструментами трассировки, также делают чрезвычайно простым обеспечение постоянного расстояния между каждым следом в дифференциальной паре, включая очень тесное расстояние при необходимости.

Хотя это может быть не необходимо в рамках традиционных методов завершения и целей дифференциального импеданса, мы видим несколько причин использовать малое расстояние:

• Снижение эмиссии дифференциального режима шума и дифференциальной перекрестной помехи
• Большая вероятность того, что шум будет принят как истинный общий режим шума
• Меньше шума дифференциального режима, излучаемого между парами

Однако, вопреки распространенному мнению, выбор наименьшего возможного расстояния не требуется для завершения, и это увеличит потери вдоль длины пары. Затем, когда вы применяете настройку длины вдоль плотно расположенной пары, вы увидите большее преобразование режима и отклонение импеданса, когда секция настройки длины применяется. Завершение - это долгое обсуждение, которое я представлю в некоторых видео и в другой статье.Обзор можно найти в этой статье, и главный вывод заключается в том, что завершение рассматривает дифференциальную пару как два однополярных сигнала, а не с точки зрения какого-либо дифференциального импеданса.

Когда вам необходимо установить и поддерживать расстояние между дифференциальными парами и конкретные цели по импедансу в вашем проекте, используйте полный набор функций для трассировки и моделирования печатных плат в Altium Designer^®. Интегрированные инструменты трассировки предоставляют вам все необходимое для завершения физической компоновки, соблюдая правила геометрии и цели по импедансу. Когда вы закончили проектирование и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.