差分线在pcb设计中的应用

2013年11月22日 12:17
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在高速数字电路设计过程中,工程师采取了各种措施来解决信号完整性问题,利用差分线传输高速数字信号的方法就是其中之一。在PCB中的差分线是耦合带状线或耦合微带线,信号在上面传输时是奇模传输方式,因此差分信号具有抗干扰性强,易匹配等优点。随着人们对数字电路的信息传输速率要求的提高,信号的差分传输方式必将得到越来越广泛的应用。
1 用差分线传输数字信号
  如何在高速系统设计中考虑信号完整性的因素,并采取有效的控制措施,已成为当今国内外系统设计工程师和PCB设计业界的一个热门课题。利用差分线传输数字信号就是高速数字电路中控制破坏信号完整性因素的一项有效措施。
  在印刷电路板上的差分线,等效于工作在准TEM模的差分的微波集成传输线对,其中,位于PCB顶层或底层的差分线等效于耦合微带线;位于多层PCB的内层的差分线,正负两路信号在同一层的,等效于侧边耦合带状线,正负两路在相邻层的,等效于宽边耦合带状线。数字信号在差分线上传输时是奇模传输方式,即正负两路信号的相位相差180°,而噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现,在接受器中正负两路的电压(或电流)相减,从而可以获得信号,消除共模噪声。而差分线对的低压幅或电流驱动输出实现了高速集成功耗的要求。
2 差分线的阻抗匹配
  差分线是分布参数系统,因此在设计PCB时必须进行阻抗匹配,否则信号将会在阻抗不连续的地方发生反射,信号反射在数字波形上主要表现为上冲、下冲和振铃现象。式(1)是一个信号的上升沿(幅度为EG)从驱动端经过差分传输线到接收端的频率响应:

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  LVDS是一种低摆幅的差分信号技术,它上面的信号可以以几百Mbps的速率传输。LVDS信号的驱动器由1个驱动差分线的电流源组成,通常电流为3.5 mA。它的端接电阻一般只要跨接在正负两路信号的中间就可以了,如图1所示。

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LVDS信号的接受器一般具有很高的输入阻抗,因此驱动器输出的电流大部分都流过了100Ω的匹配电阻,并产生了350 mV的电压。有时为了增加抗噪声性能,差分线的正负两路信号之间用2个5OΩ的电阻串联,并在电阻中间加1个滤波电容到地,这样可以减少高频噪声。随着微电子技术的发展,很多器件生产商已经可以把LVDS电平信号的终端电阻做到器件内部,以减少PCB设计者的工作。
②LVPECL电平信号的端接。
  LVPECL电平信号也是适合高速传输的差分信号电平之一,最快可以让信号以1 GBaud波特的速率传输。它的每一单路信号都有一个比信号驱动电压小2 V的直流电位,因此应用终端匹配时不能在正负两条差分线之间跨接电阻(如果在差分线之间跨接电阻,电阻中间相当于虚地,直流电位将变成零),而只能将每一路进行单端匹配。
  对LEPECL信号进行单端匹配,要符合2个条件,即信号的直流电位要为1.3 v(设驱动电压为3.3 V,减2后,为1.3 V)和信号的负载要等于信号线的特性阻抗(50Ω)。因此可以应用以下理想的端接方式:

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在图3中,对交流信号而言,相当于120Ω电阻和82Ω电阻并联,经计算为48.7Ω;对于直流信号,两个电阻分压,信号的直流电位为:3.3×82/(120+82)= 1.34 V。因此等效结果在工程应用的误差允许范围内。
4 差分线的一些设计规则
  在做PCB板的实际工作中,应用差分线可以很大程度上提高信号线的抗干扰性,要想设计出满足信号完整性要求的差分线,除了要使负载和信号线的阻抗相匹配外,还要在设计中尽量避免阻抗不匹配的环节出现。现根据实际工作经验,总结出以下规则:
差分线离开器件引脚后,要尽量相互靠近,以确保耦合到信号线的噪声为共模噪声。一般使用FR4介质时,50 Ω布线规则(差分线阻抗为100Ω)时,差分线之间的距离要小于0.2 mm;

信号线的长度应匹配,不然会引起信号扭曲,引起电磁辐射;
不要仅仅依赖软件的自动布线功能,要仔细修改以实现差分线的阻抗匹配和隔离;
尽量减少使用过孔和其他一些引起阻抗不连续的因素;
不要使用90°走线,可用圆弧或45°折线代替;
信号线在不同的信号层时,要注意调整差分线的线宽和线距,避免因介质条件改变引起的阻抗不连续。
5 结束语
  在高速数字PCB设计中,运用差分线传输高速信号,一方面在对PCB系统的信号完整性和低功耗等方面大有裨益,另一方面也给的PCB设计水平提出了更高要求。作为设计者应该深刻理解传输线理论的有关概念,仔细分析出各种畸变现象的原因,找出合理有效的解决办法;还要不断把工作中积累的一些经验加以总结,并上升为理性认识,才能够取得满意的设计效果。

PCB 差分信号设计中几个常见的误区

 

误区一:认为差分信号不需要地平面作为回流路径,或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。造成这种误区的原因是被表面现象

迷惑,或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径,其实在信号回流分析上,差分走线和普通的单端走线的机理是一致的,即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流,最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外,还存在相互之间的耦合,哪一种耦合强,那一种就成为主要的回流通路. PCB 电路设计中,一般差分走线之间的耦合较小,往往只占 10~20%的耦合度,更多的还是对地的耦合,所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候,无参考平面的区域,差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路,尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重,但还是会降低差分信号的质量,增加 EMI,要尽量避免。也有些设计人员认为,可以去掉差分走线下方的参考平面,以抑制差分传输中的部分共模信号,但从理论上看这种做法是不可取的,阻抗如何控制?不给共模信号提供地阻抗回路,势必会造成 EMI 辐射,这种做法弊大于利。

 

误区二:认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的 PCB 布线中,往往不能同时满足差分设计的要求。由于管脚分布,过孔,以及走线空间等因素存在,必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的,但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行.PCB 差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长,其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。

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