Розводка ДИФЕРЕНЦІЙНИХ ПАР
Диференціальні пари працюють тільки тоді чудово, якщо вони не взаємодіють з іншими сигналами. Однак компромісні рішення при трасуванні дозволяють застосовувати щільну розведення трас.
Традиційні поняття про паралельні інтерфейсних потоках починають виконуватися при швидкості вище 200 МГц через взаємодію сигналів великої кількості шин, що вимагається для передачі величезного обсягу інформації. Вирішенням цієї проблеми є застосування послідовних інтерфейсів, які використовують передачу сигналів в диференціальному вигляді і забезпечують необхідну швидкість потоку. Диференціальна передача сигналів, крім того, забезпечує значно нижчий рівень випромінювання, скорочує кількість висновків пристроїв і сигнальних шин і надає можливість передавати сигнали на відносно великі відстані.
Що це означає для розробника друкованих плат? Очевидно, новий набір вимог до дизайну. Ці вимоги зосереджуються навколо розводки двох провідників поруч один з одним, але це не так просто, як може здатися спочатку. Є маса теоретичних матеріалів, але реальність може підносити сюрпризи, по крайней мере в тому, що стосується вимог, що висуваються до друкованої плати.
Диференціальна передача сигналів на увазі передачу однакової інформації по двом лідерів. При цьому використовуються дві шини, як мінімум один передавач (драйвер) з виходами позитивного і негативного сигналів і по одному приймачу (ресивера) на кожен сигнал. Драйвер передає сигнали инверсно один одному. У той час як позитивний вихідний сигнал, що співпадає по фазі з вхідним сигналом драйвера, переходить з низького рівня у високий, негативний вихідний сигнал, інверсний вхідному, переходить з високого рівня в низький. На малюнку 1 показані два вихідних сигнали драйвера і диференційний сигнал, який вираховується як різниця між позитивним і негативним сигналами. Віднімання сигналів один з одного відбувається в диференціальному ресівері.
Не бракує думок експертів по термінології, як необхідно говорити: "синфазний сигнал" (common mode), "сигнал при диференціальному включенні" (differential mode) і навіть "сигнал непарної хвилі" (odd-mode). Говорячи по-простому, величезний теоретичний виграш диференціальної пари відбувається при використанні рівних протифазних сигналів, які передаються по двом провідникам. Це передбачає, що провідники розташовуються настільки близько один до одного, що електрична енергія, яку випромінює кожним провідником, може бути сприйнята іншим (тобто існують взаємозв'язок і взаємовплив). Основні переваги від застосування рівних протифазних сигналів, що передаються по близько розташованим провідникам, такі:
1. Захищеність від шуму. Будь-шум, навідні на один з провідників, буде в такій же мірі наводитися і на інший провідник. Оскільки однаковий шум в цьому випадку буде присутній в обох сигналах, то цей шум усувається в різницевої (диференціальному) сигналі.
2. Нечутливість до опорної напруги. У диференціальному сигналі завжди присутній деякий опорний рівень, що дозволяє використовувати його в разі, коли передавач і приймач мають різні загальні напруги харчування (різні землі). Це також дозволяє вирішити проблеми, пов'язані з нестабільністю напруги загальних висновків, і поліпшити цілісність сигналів.
3. Зменшення випромінюваних електромагнітних завад. Такі перешкоди виникають, в основному, під час перемикання сигналу з одного стану в інший. Оскільки обидва диференціальних сигналу перемикаються одночасно, але противофазно, то виникають випромінювання взаємно компенсуються. Крім того, кожен з диференціальних сигналів зазвичай має невелику амплітуду (на малюнку 1 амплітуда становить 0,4 В), тому рівень випромінювання також невеликий.
І останнє в теорії - диференційний імпеданс. Він визначається індивідуальним опором провідників пари і зв'язком між ними.
Нижче наводиться приклад створення диференціальної пари, що базується на вимогах деяких поточних стандартів.
ZOD = 100 Ом ± 10%. Диференціальний імпеданс, який є одним з основних факторів. Індивідуальний імпеданс кожного провідника також може бути специфікований і зазвичай близький до 50 Ом. Відстань між провідниками і / або ширина провідників теж можуть бути визначені, але якщо не обговорений стек диференціальних пар, то завжди за замовчуванням використовується значення диференціального імпедансу.
Провідники пари повинні бути підібрані по довжині з точністю 0,635 мм (0,025 дюйма). Більш точне значення не грає особливої ролі, але може бути зменшено при передачі сигналів з великою швидкістю. Таким чином, провідники кожної пари повинні бути узгоджені по довжині.
Відстань між різними сигналами має бути не менше 0,508 мм (0,020 дюйма). Це відстань між одним з провідників диференціальної пари і провідником, по якому передається іншій сигнал. Необхідно збільшувати відстань між двома диференціальними парами настільки, наскільки можливо.
Провідники тактового сигналу і групового сигналу даних повинні бути підібрані по довжині з точністю 6,35 мм (0,250 дюйма). Більш точне значення також не грає особливої ролі і залежить від швидкості передачі. В залежності від програми, довжина одних диференціальних пар групового сигналу може відрізнятися від довжини інших пар цієї ж групи. (Під груповим сигналом тут розуміється кілька диференціальних пар, об'єднані одним тактовим сигналом і передають схожу інформацію.)
Підтримка постійного опорного напруги. Іноді це означає утримання групового сигналу на одному шарі з одним опорним напругою. Додаткові вимоги можуть також припускати обмеження в переходах на інші верстви.
Таким чином, необхідно мати у своєму розпорядженні провідники диференціальної пари настільки близько один до одного, наскільки це можливо, і підтримувати постійним диференційний імпеданс. Все це виглядає логічно і немає сенсу в більш докладних описах, правилах і математичних викладках, щоб повертатися до цього. І, природно, щоб сигнали були насправді диференціальними (тобто рівними і протифазні). Теорія зазвичай розглядає диференціальні провідники у вигляді кручених пар з сильною взаємозв'язком, тоді як при типовому значенні диференціального імпедансу 100 Ом для друкованих плат взаємозв'язок мала. У цьому основна відмінність.
На малюнку 2 показано типове перетин диференціальної пари з опором 100 Ом.
Припускаючи можливі питання, спробуємо переглянути теоретичні вигоди від застосування диференціальних сигналів. З точки зору захищеності від зовнішнього шуму, важлива не зв'язок між шинами, а взаємне розташування шин, тобто відстань між ними. Чим менший цей період, тим стає більш однаковим воздествие сигналу-агресора на обидві шини. Реальне зменшення перехресних перешкод можливо лише при видаленні джерела шуму. Який чиниться вплив залежить від квадрата відстані між провідником агресора і сигнальним провідником. Виграш від нечутливості до опорної напруги в більшій мірі залежить від якісних показників інтегральних схем і не залежить від зв'язку між диференціальними шинами.
І останній пункт, який може викликати замішання. Диференціальні сигнали можуть використовуватися в ситуації, коли передавач і приймач використовують абсолютно різні загальні напруги харчування. Однак рекомендується підтримання постійного опорного напруги. В цьому випадку виникає протиріччя між теорією і реальністю, але іноді те, що виходить, трохи не вписується в теорію.
Повернемося до теорії знову. Диференціальна передача має на увазі використання двох рівних протифазних сигналів по двом провідникам. Ці комплементарні сигнали формуються драйвером. Що ж треба робити, щоб ці сигналу залишалися однаковими? Їх симетрія є ключ до всього. Теорія нічого не говорить про швидкість сигналів і, особливо, про про швидкість наростання їх фронтів. Якби ці сигнали були однопровідними, то тоді їх імпеданс і навантаження для узгодження були б головними критеріями.
І знову звернемося до теорії, але з іншого боку. Якщо симетрія диференціальних трас настільки важлива, то стає надзвичайно важливим однакова довжина провідників. Це більш важливо, ніж просто статична перевірка; сигнали повинні зберігати фазовий співвідношення (180 °) протягом всієї довжини. Максимально можлива розводка провідників пари на одному шарі і мінімальна кількість переходів на інші верстви також сприяють збільшенню симетрії. Відстань від пари до інших сигналів впливає на можливий наведений шум, але взаємозв'язок також грає істотну роль для зменшення сприйнятливості до наведенням.
Час, що залишився стосується того, що зазвичай диференціальні сигнали передаються на досить високій швидкості. Диференціальний імпеданс визначає кінцеву навантаження лінії передачі. Це ж є справедливим і для базового опорного рівня. Все, розглянуте вище, а також якість взаємозв'язку гарантує, що електромагнітні перешкоди будуть мінімальними.
Як все сказане раніше перевести в розводку провідників? Загальна кількість трас дорівнює подвоєному числу сигналів, але часто загальний інтерфейс має зменшена кількість сигналів. Це може дати невелике послаблення при розведенні складної друкованої плати. До того ж, сигнали пари слід розглядати, як одне ціле. Диференціальний імпеданс обумовлює ширину провідників і відстань між ними, але стратегія розведення повинна повністю базуватися на симетрії провідників пари на всій довжині від драйвера до ресивера.
Правила розводки повинні застосовуватися не тільки до базових понять (ширина провідників і відстань між ними і між парою і іншим сигналом), але і до комплексних питань. На малюнку 3 показані дві диференціальні пари. Після перевірки DRC (design rules check) зліва відзначені незв'язані провідники, а праворуч сигнали двох пов'язаних трас не узгоджені по фазі.
Якщо є можливість, то в процесі розводки повинні тестуватися довжини відрізків провідників пари між контрольними точками, щоб сигнали, що передаються по ним, мали однакову фазову затримку. Якщо такої можливості немає, необхідно виробляти загальну перевірку довжин провідників від початку до кінця. Комплементарні сигнали (рис. 1) повинні приходити до приймача в один і той же час. Якщо ж який-небудь сигнал (позитивний або негативний) має затримку або випередження щодо іншого сигналу, то це говорить про те, що диференціальна пара не оптимізована і на неї може надаватися сильний вплив ззовні (амплітудне або тимчасове).
На малюнку 4 показана погана розводка диференціальних сигналів. Використання кутів в 45 ° переважніше, ніж кутів в 90 °, при яких створюється велика різниця в довжині диференціальних трас і відбувається деяка втрата взаємозв'язку між ними. Інша помилка в цьому прикладі полягає в переході однієї з трас на інший шар, що призводить до ще більшої втрати взаємозв'язку. Неідеальність цілком допустима, але кількість елементів, що призводять до неї, має бути скорочено до мінімуму.
Там, де необхідно розвести складну друковану плату з великою кількістю різних груп диференціальних пар, то може виявитися краще в першу чергу розводити і оптимізувати пари, до яких пред'являються однакові вимоги (правила). Допуск по довжині пар всередині однієї групи може перевищувати допуск по довжині провідників окремо взятої пари пари. Таким чином, пріоритет розводки пари вище пріоритету розводки групи. Ідеально, якщо застосовується інтерактивна розводка, що надає зворотний зв'язок в динаміці і допомагає процесу розведення.