Изисквания за маршрутизиране на диференциални сигнали
НЕОБХОДИМИ УСЛОВИЯ ЗА СВЪРЖАВАНЕ НА ДИФЕРЕНЦИАЛНИ СИГНАЛИ
За устойчивост на шум, допълващите предавани сигнали трябва да бъдат добре балансирани и да имат еднакъв импеданс
Диференциалното предаване предполага наличието на два допълващи се сигнала с еднаква амплитуда и фазово изместване от 180°. Един от сигналите се нарича положителен (директен, необратен), вторият - отрицателен (обратен). Диференциалното предаване се използва широко в електронните схеми и е от съществено значение за увеличаване на скоростта на трансфер на данни. Високоскоростните часовникови сигнали на компютърните дънни платки и сървъри се предават по диференциални линии. Множество устройства като принтери, комутатори, рутери и сигнални процесори използват технологията LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
В сравнение с еднопроводното, реализацията на диференциално предаване изисква по-голям брой предаватели (драйвери, предаватели) и приемници (приемници), както и два пъти по-голям брой изводи на елементи и проводници. От друга страна, използването на диференциална предавка предлага няколко привлекателни предимства:
висока времева точност,
Най-високата възможна скорост на трансфер,
По-малка чувствителност към електромагнитни смущения,
По-малко смущения.
При прокарване на диференциални проводници е важно и двата диференциални проводника да имат еднакъв импеданс, да са с еднаква дължина и разстоянието между ръбовете им да е постоянно.
Като използваме пример, нека да разгледаме някои важни концепции за диференциално окабеляване. Фигура 1 показва диференциална шина на дънната платка, маршрутизирана междуизходи за специализирана микросхема (ASIC) и конектор за свързване на дъщерна платка с чипове памет. Проводникът на директния сигнал е маркиран в зелено, а обратният сигнал е маркиран в червено. Всеки проводник има два отвора и змиевидна секция по дължината си.
Ориз. 1. Диференциална двойка на дънната платка
Диференциалното окабеляване на тази фигура следва няколко правила:
Клемите на компонентите, използвани за предаване или приемане на диференциални сигнали, са разположени близо един до друг;
на всеки отделен слой са разположени сегменти от гуми с еднаква дължина, като разстоянието между гумите се поддържа еднакво на различните слоеве;
при смяна на слоя, разстоянието между подложките на отворите е сведено до минимум (без да се надвишава разстоянието между шините, ако е възможно);
Змиевидните секции на двете шини са разположени в една и съща зона, така че положителните и отрицателните сигнали да имат еднакви закъснения на разпространение по цялата дължина на веригата.
Закръгляването на ъглите и еднаквата дължина на диференциалните проводници изискват специално внимание.
В допълнение към проводниците на печатната платка, пакетът с интегрални схеми съдържа шини, които свързват всеки щифт на пакета с щифт на IC чипа. Различните дължини на тези гуми в някои случаи могат да направят свои собствени корекции.
Като числен пример, помислете за диференциални шини със следните дължини на сегменти:
за директен сигнал
- дължина на сегмента от щифта на конектора до първия отвор = 3022,93 мили (76,78 mm),
- дължина на сегмента между отворите = 747,97 mils (19,0 mm),
- дължина на сегмента от второто преминаване до проводника на IC = 27,8 mils(0,71 mm),
- обща дължина на веригата за директен сигнал = 3,798.70 mils (96.49 mm);
за инвертиран сигнал
- дължина на сегмента от щифта на конектора до първия отвор = 3025,50 мили (76,78 mm),
- дължина на сегмента между отворите = 817,87 mils (19,0 mm),
- дължина на сегмента от второто преминаване до проводника на IC = 27,8 мили (0,71 mm),
- обща дължина на веригата за директен сигнал = 3 871,17 мили (98,33 mm).
По този начин разликата в дължините на печатни платки е 72,47 мили (1,84 mm).
Част от получената разлика може да бъде компенсирана, като се вземат предвид различните дължини на шините вътре в пакета на IC. В този случай разликата в общите дължини на следите става в рамките на определения толеранс.
Фигура 2 показва, че общата дължина на шината трябва да се разглежда от гледна точка на минимизиране на разликата в дължините на диференциалните проводници.
Ориз. 2. Сумата (L0 + L1) трябва да е равна на сумата (L2 + L3) в границите на грешка
Повтаряйки отново, желателно е разстоянието между краищата на проводниците да е постоянно по цялата им дължина. Изследване на диференциалната двойка показва, че в близост до щифтовете на съединителя шините губят паралелността си една спрямо друга. Фигура 3 илюстрира електрическа схема, която минимизира този недостатък, като същевременно поддържа успоредност на голяма дължина (резултатният остър ъгъл на проводника на обратния сигнал може да доведе до загуба на неговата цялост с произтичащите от това последствия - бележка на преводача). Такава схема може да се използва в случаите, когато диференциалните сигнали трябва да имат силна връзка или при предаване на високоскоростни сигнали.
Ориз. 3. Паралелно окабеляване
Когато интервалът между две следи е относително дълъг (връзкамежду проводника и полигона надвишава взаимовръзката между проводниците), тогава двойката става хлабаво свързана. Обратно, когато две следи са достатъчно близо една до друга (връзката между тях е по-голяма от връзката между единичен проводник и многоъгълник), това означава, че проводниците на двойката са силно свързани. Обикновено не е необходима силна връзка, за да се постигнат първоначалните предимства на диференциалната структура. Въпреки това, за да се постигне добра устойчивост на шум, е желателно силно свързване за допълнително предавани, добре балансирани сигнали, които имат симетричен импеданс по отношение на референтното напрежение.
Концепцията за диференциално окабеляване в този случай включва копланарни двойки (т.е. разположени в един и същи слой), които са свързани в краищата на проводниците. Диференциалните сигнали могат да бъдат маршрутизирани и по друг начин, при който проводниците на директния и обратния сигнали са разположени на различни (съседни) слоеве на платката. Този метод обаче може да причини проблеми с последователността на импеданса. Фигура 4 показва и двете опции, както и някои критични размери като ширина (W), разстояние между ръбовете (S), дебелина на проводника (T) и разстояние между проводника и земята (H). Тези параметри, които определят геометрията на напречното сечение на диференциална двойка, често се използват (заедно със свойствата на материала на проводниците и диелектрика на субстрата) за определяне на стойностите на импеданса (за неправилни, балансирани, синфазни и противофазови режими) и за изчисляване на количеството на свързване между проводниците на двойка.
Фиг. 4. Геометрични размери на напречното сечение на диференциалната двойка
Абас Риази ИЗИСКВАНИЯ ЗА МАРШРУТИРАНЕ НА ДИФЕРЕНЦИАЛНИ СИГНАЛИ Дизайн на печатни схеми & Производство Февруари-март 2004