Routing van differentiële signalen

Moderne software maakt het u gemakkelijk

Differentiële signaalparen zijn standaard voor signalen met hoge snelheid en kunnen voorkomen in de meest uiteenlopende apparaten. Het is belangrijk om te begrijpen hoe deze worden geplaatst in een PCB-lay-out. Belangrijk daarbij is te weten wat de specifieke definities van differentiële signalen zijn en hoe ruis functioneert in een differentieel paar. Dit alles zodat ontwerpers een beter idee krijgen van het belang van differentiële protocollen.

Differentiële signalen bieden een goede manier om seriële bitstromen met hoge snelheden te transporteren. Daarbij zijn het niet alleen de stijg- en daaltijden van de flanken die belangrijk zijn, maar ook dat de beide signalen met dezelfde vertraging aankomen. USB, HDMI, Ethernet en nog veel meer worden als differentiële signaalparen verstuurd en vereisen een zorgvuldig ontwerp en routing op de print. In het verleden vereiste dit het maken van veel handmatige correcties in de lengtes van de sporen om ervoor te zorgen dat ze voldeden aan de lengte- en impedantietoleranties. Nieuwe CAD-software zoals Altium Designer maakt het echter gemakkelijk om deze vereisten te coderen als ontwerpregels om nauwkeurige routing te garanderen.

De basis
Differentiële signaalparen zijn samengesteld uit twee sporen die naast elkaar gelegd worden en die signalen van gelijke grootte en tegengestelde polariteit op elk spoor transporteren. Differentiële signalen zijn niet per se speciale soorten signalen. Alle differentiële signalen die worden gebruikt om digitale gegevens te versturen, zullen nog steeds binaire informatie bevatten. Het verschil tussen een standaard digitaal signaal en een differentieel signaal is dat een differentieel signaal op een andere manier wordt teruggewonnen en geïnterpreteerd.
Als we kijken naar het signaal dat zich voortplant op een differentieel paar, dan hebben we in werkelijkheid twee gelijke signalen maar met tegengestelde polariteit. Het signaalniveau dat door een differentiële ontvanger wordt gelezen, is het verschil tussen de spanningen van de twee signalen. Dit is weergegeven in afbeelding 1. We hebben hier een differentieel signaalpaar dat over een uniform grondvlak wordt geleid.

Een component die werkt met differentiële signalen zorgt dat het verschil tussen deze twee signalen wordt gebruikt om een logisch niveau in de ontvanger te interpreteren. Merk op dat de individuele signaalniveaus (V1 en V2) nog steeds gedefinieerd zijn met betrekking tot de GND-referentie, die over het algemeen als een vlak onder de sporen wordt geplaatst. Met andere woorden: je zou het signaal ten opzichte van aarde aan elke kant van het paar kunnen meten met een oscilloscoop.
Deze methode voor het overdragen van digitale gegevens is standaard in hogesnelheidsprotocollen zoals USB, Ethernet, DDR-klok en datalijnen, en in sommige eigen digitale signaleringsstandaarden. Dus wat is het dat differentiële paren en differentiële signalering zo succesvol heeft gemaakt, en wat zijn enkele van de uitdagingen?

Common-mode ruisonderdrukking
De mogelijkheid om common-mode ruis te onderdrukken zonder dat er enige filtering nodig is, is uniek voor differentiële paren. Common-mode ruisonderdrukking is het resultaat van het feit dat het verschil tussen de twee signalen wordt gemeten op een differentieel paar. Afbeelding 2 laat schematisch zien hoe common-mode ruisonderdrukking wordt bereikt in een differentieel paar. Als de ruis binnen de juiste scheefstand in de ontvanger wordt ingevoerd, kan deze door de ontvanger worden geannuleerd.
Het voorbehoud hierbij is dat aan elke kant van het paar hetzelfde stoorsignaalniveau moet worden ontvangen. Dit betekent echter niet dat differentiële paarsignalen immuun zijn voor overspraak op een PCB. Als u bijvoorbeeld een single-ended trace heeft in de buurt van een differentieel paar, kan het een overspraakpuls in beide paren koppelen via het magnetische veld dat tijdens het schakelen wordt gegenereerd. De overspraakpuls zal echter niet gelijk door beide sporen in het paar worden ontvangen. Het resultaat is dat de ruis niet wordt opgeheven bij de ontvanger en dat er wat ruis achterblijft aan één kant van het paar. Zorg ervoor dat de juiste afstand wordt toegepast tussen single-ended signalen en differentiële paarsignalen om te voorkomen dat er aan beide zijden van het paar overmatige ruis wordt ontvangen.

EMI uitgezonden door het paar
Een van de grote voordelen van differentiële paarsignalen is dat ze weinig ruis uitzenden. Wanneer de twee sporen in het paar dichter bij elkaar liggen, zijn de magnetische velden die ze genereren tijdens het schakelen gelijk en tegengesteld. Zolang de twee signalen in fase en van dezelfde grootte zijn, zullen de magnetische velden die ze genereren elkaar tegenwerken. Merk op dat het gegenereerde veld niet overal nul is. Dit is alleen zo als de afstand tot beide geleiders van het paar gelijk is. Het veld zal echter laag zijn en minder ruis veroorzaken in nabijgelegen enkelzijdige sporen (afbeelding 3).
Hoewel differentiële paren lagere overspraak kunnen produceren in een nabijgelegen enkelzijdig signaal, kunnen ze overspraak in differentiële modus produceren in een nabijgelegen differentieel paar. Dit is waarom het belangrijk is om de afstand tussen differentiële paren zorgvuldig te optimaliseren. Hoewel differentiële paren relatief immuun zijn voor common-mode-ruis, zijn ze niet immuun voor differential-mode-ruis. Houd hier rekening mee bij het routen van uw differentiële paren en zorg voor voldoende afstand tussen paren om een ruisarme koppeling tussen hen te garanderen.

Immuniteit voor ground offset
De belangrijkste reden waarom differentiële paren worden gebruikt in lange verbindingen tussen twee boards, is hun immuniteit voor ground offset. Een verschuiving bij AC of DC kan worden gezien als common-mode-ruis; het is een storing in het signaal die elke zijde van het paar in dezelfde fase en grootte beïnvloedt. Daarom kan het ook worden geëlimineerd door de differentiële ontvanger. Wanneer het signaal een opening tussen twee verschillende massagebieden overschrijdt, is er een impedantiediscontinuïteit tussen de twee componenten. Het is mogelijk dat een single-ended signaal van de bron niet dezelfde spanning heeft bij de belasting, omdat de aardpotentialen in elke regio anders zijn. Als resultaat zal de ontvanger de juiste spanning uitlezen die door het signaal wordt gedragen, omdat het differentiële signaalniveau niet afhankelijk is van het potentiaalverschil tussen twee verschillende GND-gebieden.

Differentiële signaalparen ontwerpen en routen
Omdat differentiële signaalparen in standaard computerprotocollen en voor sommige randapparatuur met hoge randsnelheden werken, zullen ze over het algemeen impedantieregeling vereisen om golfreflectie van het belastinguiteinde van een differentieel paar te voorkomen. Alle differentiële paren die worden gebruikt in een high-speed PCB-ontwerp, vereisen dan ook aanpassing van de twee zijden van het paar om ervoor te zorgen dat beide signalen tegelijkertijd bij de ontvanger aankomt. Hier zijn enkele van de basisontwerptips voor het werken met differentiële paren:

• Single-ended en differentiële impedantie: Differentiële signaalnormen specificeren enkele single-ended en differentiële impedantie-eisen waaraan moet worden voldaan om reflecties te voorkomen en maximale vermogensoverdracht naar de ontvanger te garanderen.
• Vertraging of lengteaanpassing: de spoorlengtes in het paar moeten worden aangepast binnen de scheefheidstoeslag die is gedefinieerd in de signaalstandaard, hoewel dit nogal genereus kan zijn en voor sommige standaarden enkele mm kan bedragen.
• Consistente afstand: Het is verstandig dat de afstand tussen de paren moet worden ingesteld op de minimumwaarde die de impedantiebeperkingen niet schendt. De reden hiervoor is dat dit ervoor zorgt dat de uitgestraalde common-mode EMI zo laag mogelijk is en het helpt ervoor te zorgen dat common-mode ruis wordt ontvangen op het paar, aangezien overspraak bijna dezelfde grootte heeft op elk spoor in het paar.

Voor hogesnelheidssignalen zijn er andere overwegingen, zoals signaalbandbreedte en verliezen waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van materialen en componenten. De beste routingstools kunnen u helpen aan deze vereisten te voldoen door ervoor te zorgen dat uw ontwerpinstellingen worden gecodeerd als ontwerpregels. In een CAD-pakket zoals Altium Designer is het de geïntegreerde engine voor ontwerpregels en online simulatie die u alles biedt wat u nodig heeft om de sporen voor differentiële signalen te verifiëren terwijl u ze op uw PCB plaatst.

Auteur: Zachariah Peterson, member Printed Circuit Engineering Association