In snelle printplaat ontwerp, de toepassing van differentieel signaal (DIFFerential Signal) wordt steeds uitgebreider en het meest kritische signaal in het circuit is vaak ontworpen met een differentiële structuur. Waarom is het zo? Vergeleken met gewone single-ended signaalroutering, hebben differentiële signalen de voordelen van een sterk anti-interferentievermogen, effectieve onderdrukking van EMI en nauwkeurige timing-positionering.

Vereisten voor differentiële signaal PCB-bedrading:

Op de printplaat moeten de differentiële sporen twee lijnen zijn van gelijke lengte, gelijke breedte, dicht bij elkaar en op hetzelfde niveau.

1. Gelijke lengte: Gelijke lengte betekent dat de lengte van de twee lijnen zo lang mogelijk moet zijn, om ervoor te zorgen dat de twee differentiële signalen te allen tijde tegengestelde polariteiten behouden. Verminder common-mode componenten.

2. Gelijke breedte en gelijke afstand: gelijke breedte betekent dat de breedte van de sporen van de twee signalen hetzelfde moet worden gehouden, en gelijke afstand betekent dat de afstand tussen de twee draden constant en parallel moet worden gehouden.

3. Minimale impedantieverandering: bij het ontwerpen van een PCB met differentiële signalen, is een van de belangrijkste dingen om de doelimpedantie van de toepassing te achterhalen en vervolgens het differentiële paar dienovereenkomstig te plannen. Houd bovendien de impedantieverandering zo klein mogelijk. De impedantie van de differentiële lijn is afhankelijk van factoren zoals spoorbreedte, spoorkoppeling, koperdikte en PCB-materiaal en stapeling. Wanneer u iets probeert te vermijden dat de impedantie van een differentieel paar verandert, overweeg dan elk van hen.

Veelvoorkomende misverstanden bij het ontwerp van differentiële signalen van PCB’s

Misverstand 1: Er wordt aangenomen dat het differentiële signaal geen grondvlak nodig heeft als retourpad, of dat de differentiële sporen een retourpad voor elkaar verschaffen.

De reden voor dit misverstand is dat ze in de war zijn door oppervlakkige verschijnselen, of dat het mechanisme van snelle signaaloverdracht niet diep genoeg is. Differentiële circuits zijn ongevoelig voor soortgelijke grondbotsingen en andere ruissignalen die op de stroom- en grondvlakken kunnen voorkomen. De gedeeltelijke retourannulering van het grondvlak betekent niet dat het differentieelcircuit het referentievlak niet gebruikt als het signaalretourpad. In feite is in de signaalretouranalyse het mechanisme van differentiële bedrading en gewone single-ended bedrading hetzelfde, dat wil zeggen dat hoogfrequente signalen altijd terugvloeien langs de lus met de kleinste inductantie. Het grootste verschil is dat naast de koppeling met de grond, de differentieelleiding ook een onderlinge koppeling heeft. Welk soort koppeling is sterk en welke wordt het belangrijkste retourpad.

In PCB-circuitontwerp is de koppeling tussen differentiële sporen over het algemeen klein, vaak slechts goed voor 10-20% van de koppelingsgraad, en meer is de koppeling met de grond, dus het hoofdretourpad van het differentiële spoor bestaat nog steeds op de grond vlak . Wanneer er een discontinuïteit in het grondvlak is, zal de koppeling tussen de differentiële sporen in het gebied zonder referentievlak het hoofdretourpad vormen, hoewel de discontinuïteit van het referentievlak geen invloed heeft op de differentiële sporen op de gewone single-ended sporen Het is ernstig, maar het zal nog steeds de kwaliteit van het differentiële signaal verminderen en EMI verhogen, wat zoveel mogelijk moet worden vermeden.

Bovendien zijn sommige ontwerpers van mening dat het referentievlak onder het differentiële spoor kan worden verwijderd om een ​​deel van het common-mode-signaal bij differentiële transmissie te onderdrukken. Deze benadering is echter in theorie niet wenselijk. Hoe de impedantie te regelen? Het niet leveren van een aardimpedantielus voor het common-mode-signaal zal onvermijdelijk EMI-straling veroorzaken. Deze aanpak doet meer kwaad dan goed.

Misverstand 2: Er wordt aangenomen dat gelijke afstanden belangrijker zijn dan het afstemmen van de lijnlengte.

In de werkelijke PCB-lay-out is het vaak niet mogelijk om tegelijkertijd aan de vereisten van differentieel ontwerp te voldoen. Vanwege het bestaan ​​van factoren zoals pindistributie, via’s en bedradingsruimte, moet het doel van lijnlengteaanpassing worden bereikt door de juiste wikkeling, maar het resultaat moet zijn dat sommige delen van het differentiële paar niet parallel kunnen zijn. De belangrijkste regel bij het ontwerp van PCB-differentiële sporen is de overeenkomende lijnlengte. Andere regels kunnen flexibel worden gehanteerd in overeenstemming met ontwerpvereisten en werkelijke toepassingen.

Misverstand 3: Denk dat de differentieelbedrading heel dichtbij moet zijn.

Het dicht bij elkaar houden van de differentiële sporen is niets meer dan het verbeteren van hun koppeling, wat niet alleen de immuniteit voor ruis kan verbeteren, maar ook volledig gebruik kan maken van de tegenovergestelde polariteit van het magnetische veld om elektromagnetische interferentie naar de buitenwereld te compenseren. Hoewel deze benadering in de meeste gevallen zeer gunstig is, is deze niet absoluut. Als we ervoor kunnen zorgen dat ze volledig zijn afgeschermd tegen externe interferentie, hoeven we geen sterke koppeling te gebruiken om anti-interferentie te bereiken. En het doel van het onderdrukken van EMI.

Hoe zorgen we voor een goede isolatie en afscherming van differentiële sporen? Het vergroten van de afstand met andere signaalsporen is een van de meest elementaire manieren. De elektromagnetische veldenergie neemt af met het kwadraat van de afstand. Over het algemeen is de interferentie ertussen extreem zwak wanneer de regelafstand 4 keer de lijnbreedte overschrijdt. Kan worden genegeerd.