Differential Signals Routing Requirements
НЕОБХІДНІ УМОВИ РОЗВЕДЕННЯ ДИФЕРЕНЦІЙНИХ СИГНАЛІВ
Для перешкодозахищеності комплементарно передані сигнали повинні бути добре збалансовані і мати однаковий імпеданс
Диференціальна передача має на увазі наявність двох комплементарних сигналів з рівною амплітудою та фазовим зсувом 180°. Один із сигналів називається позитивним (прямим, неінверсним), другий – негативним (інверсним). Диференціальна передача широко використовується в електронних схемах і є суттєвою для збільшення швидкості передачі даних. Високошвидкісні тактові сигнали комп'ютерних материнських плат і серверів передаються диференційними лініями. Численні пристрої, такі як принтери, комутатори, маршрутизатори і сигнал-процесори використовують технологію низькорівневої диференціальної передачі сигналів LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
Порівняно з однопровідною для реалізації диференціальної передачі потрібна більша кількість передавачів (драйверів, трансмітерів) та приймачів (ресиверів), а також подвоєна кількість висновків елементів та провідників. З іншого боку, використання диференціальної передачі дає кілька привабливих переваг:
велика тимчасова точність,
велика можлива швидкість передачі,
менша сприйнятливість до електромагнітних перешкод,
менший шум, пов'язаний з перехресними перешкодами.
При розведенні диференціальних провідників важливо, щоб обидві диференціальні траси мали один і той же імпеданс, були однаковою довжини, а відстань між їхніми краями була постійною.
Використовуючи приклад, розглянемо кілька важливих концепцій диференціальної розводки. На малюнку 1 показана диференціальна шина материнської плати, прокладена міжвисновками спеціалізованої мікросхеми (ASIC) та роз'ємом для підключення дочірньої плати з мікросхемами пам'яті. Провідник прямого сигналу виділено зеленим кольором, а інверсного – червоним. Кожен провідник на своєму протязі має два перехідні отвори та серпантинову ділянку.
Мал. 1. Диференціальна пара материнської плати
Диференційне розведення на цьому малюнку виконано з урахуванням кількох правил:
висновки компонентів, що використовуються для передачі або прийому диференціальних сигналів, розташовуються близько один від одного;
на кожному, окремо взятому шарі, розташовуються відрізки шин однакової довжини, а відстань між шинами зберігається на різних шарах однаковим;
при зміні шару зазор між майданчиками перехідних отворів робиться мінімальним (що не перевищує відстані між шинами, якщо це можливо);
серпантинові ділянки двох шин розташовуються в одній області так, щоб у позитивного та негативного сигналів були однакові затримки поширення протягом усієї довжини ланцюга.
Заокруглення кутів і однакова довжина диференціальних провідників потребує особливої уваги.
Крім провідників друкованої плати, в корпусі інтегральної схеми розташовуються шини, що з'єднують кожен висновок корпусу з кристалом виведення ІС. Різна довжина цих шин у деяких випадках може вносити свої корективи.
Як чисельний приклад розглянемо диференціальні шини з наступними довжинами сегментів:
для прямого сигналу
- Довжина сегмента від виведення роз'єму до першого перехідного отвору = 3022.93 міл (76,78 мм),
- Довжина сегмента між перехідними отворами = 747.97 міл (19,0 мм),
- Довжина сегмента від другого перехідного отвору до виведення ІВ = 27.8 міл(0,71 мм),
- загальна довжина ланцюга прямого сигналу = 3,798.70 міл (96,49 мм);
для інверсного сигналу
- Довжина сегмента від виведення роз'єму до першого перехідного отвору = 3025.50 милий (76,78 мм),
- Довжина сегмента між перехідними отворами = 817.87 міл (19,0 мм),
- Довжина сегмента від другого перехідного отвору до виведення ІС = 27.8 міл (0,71 мм),
- загальна довжина ланцюга прямого сигналу = 3,871.17 міл (98,33 мм).
Таким чином, різниця у довжинах провідників друкованої плати становить 72.47 міл (1,84 мм).
Деяку частину отриманої різниці можна компенсувати, враховуючи різну довжину шин усередині корпусу ІС. При цьому різниця сумарних довжин трас стає в межах специфікованого допуску.
Малюнок 2 показує, що загальна довжина шини має бути продумана з погляду зменшення різниці в довжинах диференціальних провідників.
Мал. 2. Сума (L0 + L1) повинна дорівнювати сумі (L2 + L3) в межах допустимої похибки
Повторюючи знову, бажано зберігати постійну відстань між краями провідників на всьому їхньому протязі. Дослідження диференціальної пари показують, що поблизу висновків роз'єму шини втрачають паралельність друг щодо друга. Малюнок 3 ілюструє схему розведення з мінімізацією цього недоліку при збереженні паралельності на великій довжині (гострий кут провідника інверсного сигналу, що при цьому утворюється, може призводити до втрати його цілісності з наслідками, що випливають звідси - примітка перекладача). Така схема може застосовуватися у випадках, коли диференціальні сигнали повинні мати сильний зв'язок або під час передачі високошвидкісних сигналів.
Мал. 3. Паралельне розведення провідників
Коли інтервал між двома трасами відносно великий (зв'язокміж провідником і полігоном перевищує взаємозв'язок між провідниками), то пара стає слабозв'язаною. І навпаки, коли дві траси розташовані досить близько один від одного (взаємозв'язок між ними більше зв'язку між окремим провідником і полігоном), то це означає, що провідники пари сильно пов'язані. Сильний зв'язок зазвичай не є необхідним досягнення початкових переваг диференціальної структури. Тим не менш, для досягнення хорошої помехозащищенности сильний зв'язок бажана для комплементарно передаються, добре збалансованих сигналів, що мають симетричний імпеданс щодо опорної напруги.
Концепція диференціальної розведення в цьому випадку передбачає компланарні пари (тобто розташовані в одному шарі), що мають зв'язок по краях провідників. Диференціальні сигнали можуть також розлучатися й іншим способом, при якому провідники прямого та інверсного сигналів розташовуються на різних (сусідних) шарах плати. Однак такий спосіб може викликати проблеми з сталістю імпедансу. На малюнку 4 наведено обидва ці варіанти, а також деякі критичні розміри, такі як ширина (W), відстань між краями (S), товщина провідників (T) та дистанція між провідником та полігоном (H). Ці параметри, що встановлюють геометрію поперечного перерізу диференціальної пари, часто використовуються (поряд із властивостями матеріалу провідників та діелектрика підкладки) для визначення значень імпедансів (для нерегулярного, рівноважного, синфазного та протифазного режимів) та для обчислення величини зв'язку між провідниками пари.
Мал. 4. Геометричні розміри перерізу диференціальної пари
Переклад статті Abbas Riazi DIFFERENTIAL SIGNALS ROUTING REQUIREMENTS Printed Circuit Design & Manufacture February-March 2004