In PCB υψηλής ταχύτητας Σχεδιασμός, η εφαρμογή διαφορικού σήματος (DIFferential Signal) γίνεται όλο και πιο εκτεταμένη και το πιο κρίσιμο σήμα στο κύκλωμα σχεδιάζεται συχνά με διαφορική δομή. Γιατί έτσι? Σε σύγκριση με τη συνηθισμένη δρομολόγηση σήματος ενός άκρου, τα διαφορικά σήματα έχουν τα πλεονεκτήματα της ισχυρής ικανότητας κατά των παρεμβολών, της αποτελεσματικής καταστολής του EMI και της ακριβούς τοποθέτησης χρονισμού.

Απαιτήσεις καλωδίωσης PCB διαφορικού σήματος

Στην πλακέτα κυκλώματος, τα διαφορικά ίχνη πρέπει να είναι δύο γραμμές ίσου μήκους, ίσου πλάτους, σε κοντινή απόσταση και στο ίδιο επίπεδο.

1. Ίσο μήκος: Ίσο μήκος σημαίνει ότι το μήκος των δύο γραμμών πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι τα δύο διαφορικά σήματα διατηρούν αντίθετες πολικότητες ανά πάσα στιγμή. Μειώστε τα στοιχεία κοινής λειτουργίας.

2. Ίσο πλάτος και ίση απόσταση: Ίσο πλάτος σημαίνει ότι το πλάτος των ιχνών των δύο σημάτων πρέπει να διατηρείται το ίδιο και ίση απόσταση σημαίνει ότι η απόσταση μεταξύ των δύο καλωδίων πρέπει να διατηρείται σταθερή και παράλληλη.

3. Αλλαγή ελάχιστης σύνθετης αντίστασης: Όταν σχεδιάζετε ένα PCB με διαφορικά σήματα, ένα από τα πιο σημαντικά πράγματα είναι να μάθετε τη στοχευόμενη σύνθετη αντίσταση της εφαρμογής και στη συνέχεια να σχεδιάσετε το ζεύγος διαφορικού ανάλογα. Επιπλέον, διατηρήστε την αλλαγή της σύνθετης αντίστασης όσο το δυνατόν μικρότερη. Η σύνθετη αντίσταση της γραμμής διαφορικού εξαρτάται από παράγοντες όπως το πλάτος του ίχνους, η σύζευξη ίχνους, το πάχος του χαλκού και το υλικό και η στοίβαξη PCB. Όταν προσπαθείτε να αποφύγετε οτιδήποτε αλλάζει την αντίσταση ενός διαφορικού ζεύγους, εξετάστε το καθένα από αυτά.

Συνήθεις παρεξηγήσεις στη σχεδίαση διαφορικού σήματος PCB

Παρεξήγηση 1: Πιστεύεται ότι το διαφορικό σήμα δεν χρειάζεται ένα επίπεδο γείωσης ως διαδρομή επιστροφής ή ότι τα διαφορικά ίχνη παρέχουν μια διαδρομή επιστροφής το ένα για το άλλο.

Ο λόγος αυτής της παρεξήγησης είναι ότι μπερδεύονται από επιφανειακά φαινόμενα ή ότι ο μηχανισμός μετάδοσης σήματος υψηλής ταχύτητας δεν είναι αρκετά βαθύς. Τα διαφορικά κυκλώματα δεν είναι ευαίσθητα σε παρόμοιες αναπηδήσεις γείωσης και άλλα σήματα θορύβου που μπορεί να υπάρχουν στο επίπεδο ισχύος και γείωσης. Η μερική ακύρωση επιστροφής του επιπέδου γείωσης δεν σημαίνει ότι το διαφορικό κύκλωμα δεν χρησιμοποιεί το επίπεδο αναφοράς ως διαδρομή επιστροφής σήματος. Στην πραγματικότητα, στην ανάλυση επιστροφής σήματος, ο μηχανισμός της διαφορικής καλωδίωσης και της συνηθισμένης καλωδίωσης ενός άκρου είναι ο ίδιος, δηλαδή, τα σήματα υψηλής συχνότητας είναι πάντα Reflow κατά μήκος του βρόχου με τη μικρότερη επαγωγή. Η μεγαλύτερη διαφορά είναι ότι εκτός από τη σύζευξη με το έδαφος, η γραμμή διαφορικού έχει και αμοιβαία σύζευξη. Ποιο είδος σύζευξης είναι ισχυρό και ποιο γίνεται το κύριο μονοπάτι επιστροφής.

Στη σχεδίαση κυκλώματος PCB, η σύζευξη μεταξύ διαφορικών ιχνών είναι γενικά μικρή, συχνά αντιπροσωπεύει μόνο το 10-20% του βαθμού ζεύξης και περισσότερο είναι η σύζευξη με το έδαφος, επομένως η κύρια διαδρομή επιστροφής του διαφορικού ίχνους εξακολουθεί να υπάρχει στο έδαφος αεροπλάνο. Όταν υπάρχει ασυνέχεια στο επίπεδο γείωσης, η σύζευξη μεταξύ των διαφορικών ιχνών στην περιοχή χωρίς επίπεδο αναφοράς θα παρέχει την κύρια διαδρομή επιστροφής, αν και η ασυνέχεια του επιπέδου αναφοράς δεν επηρεάζει τα διαφορικά ίχνη στο συνηθισμένο μονοάκρο ίχνη Είναι σοβαρό, αλλά και πάλι θα μειώσει την ποιότητα του διαφορικού σήματος και θα αυξήσει το EMI, το οποίο θα πρέπει να αποφεύγεται όσο το δυνατόν περισσότερο.

Επιπλέον, ορισμένοι σχεδιαστές πιστεύουν ότι το επίπεδο αναφοράς κάτω από το διαφορικό ίχνος μπορεί να αφαιρεθεί για να καταστείλει μέρος του σήματος κοινού τρόπου λειτουργίας στη διαφορική μετάδοση. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι επιθυμητή στη θεωρία. Πώς να ελέγξετε την αντίσταση; Η μη παροχή βρόχου σύνθετης αντίστασης γείωσης για το σήμα κοινής λειτουργίας θα προκαλέσει αναπόφευκτα ακτινοβολία EMI. Αυτή η προσέγγιση κάνει περισσότερο κακό παρά καλό.

Παρεξήγηση 2: Πιστεύεται ότι η διατήρηση της ίδιας απόστασης είναι πιο σημαντική από την αντιστοίχιση μήκους γραμμής.

Στην πραγματική διάταξη PCB, συχνά δεν είναι δυνατό να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις του διαφορικού σχεδιασμού ταυτόχρονα. Λόγω της ύπαρξης παραγόντων όπως η κατανομή των ακίδων, οι διόδους και ο χώρος καλωδίωσης, ο σκοπός της αντιστοίχισης μήκους γραμμής πρέπει να επιτευχθεί μέσω σωστής περιέλιξης, αλλά το αποτέλεσμα πρέπει να είναι ότι ορισμένες περιοχές του διαφορικού ζεύγους δεν μπορούν να είναι παράλληλες. Ο πιο σημαντικός κανόνας στο σχεδιασμό των διαφορικών ιχνών PCB είναι το μήκος γραμμής που ταιριάζει. Άλλοι κανόνες μπορούν να αντιμετωπιστούν με ευελιξία σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού και τις πραγματικές εφαρμογές.

Παρεξήγηση 3: Σκεφτείτε ότι η καλωδίωση του διαφορικού πρέπει να είναι πολύ κοντά.

Η διατήρηση των διαφορικών ιχνών κοντά δεν είναι τίποτα άλλο παρά η ενίσχυση της σύζευξής τους, η οποία μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την ανοσία στο θόρυβο, αλλά και να αξιοποιήσει πλήρως την αντίθετη πολικότητα του μαγνητικού πεδίου για να αντισταθμίσει τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στον έξω κόσμο. Αν και αυτή η προσέγγιση είναι πολύ ωφέλιμη στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν είναι απόλυτη. Εάν μπορούμε να διασφαλίσουμε ότι προστατεύονται πλήρως από εξωτερικές παρεμβολές, τότε δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουμε ισχυρή σύζευξη για να επιτύχουμε αντιπαρεμβάσεις. Και ο σκοπός της καταστολής της EMI.

Πώς μπορούμε να εξασφαλίσουμε καλή απομόνωση και θωράκιση των διαφορικών ιχνών; Η αύξηση της απόστασης με άλλα ίχνη σήματος είναι ένας από τους πιο βασικούς τρόπους. Η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης. Γενικά, όταν η απόσταση μεταξύ των γραμμών υπερβαίνει το 4 φορές το πλάτος της γραμμής, η παρεμβολή μεταξύ τους είναι εξαιρετικά αδύναμη. Μπορεί να αγνοηθεί.