Beyond Design----反常识

当常识行不通的时候,试着用你的反常识性思维来解决问题。我们通常把常识理解为多数人所接受的观点,那么反常识就是对这些观点的二次检验。基本上,常识教会我们的是大家都接受的做法就是正确的做法,常识就是事情的本质。按常识行事通常是最保险的方法。可世界上真正有影响力的人往往是那些想尝试新事物的人。运用我们的反常识性思维可以让我们对那些习以为常的事情有更深入的了解。

值得注意的是,在如今所有高性能系统里,非常复杂的电磁效应起到了主导作用,许多人对信号如何与互连相互作用的原理仍有一些错误的概念。在本月的专栏中,我将讲一讲如何使用现代方式来解决老问题(我把它叫作既视感),并扩展到PCB设计以外的事情。

对于差分信号对该如何布线大家一直争论不休。传统观点认为,既然差分对的两条线上有等值、反向的信号,那么当电路回流进入反向信号的时候就不需要良好的接地连接;信号间紧密耦合要优于疏耦合,因为紧密耦合能减少干扰信号的耦合和串扰。然而实际情况是,布线时把差分对的两条线放在一起更容易,同时在复杂的设计中也能更容易管理面、干扰信号和同步。有一些人认为基于差分对传送等值、反向的信号这一事实,在使用差分对时不需要考虑任何特殊要求,就应该把它们当成两个单端信号。差分对中的信号不需要放在一起,不应该被紧密耦合,也不必在布线时考虑差分阻抗。

byus1.jpg

图1:差分对的电路回流(Ansoft提供)

基本上,一个差分对就是两条互补的传输线在其长度范围内传输等值、反向的信号。我们认为紧密耦合的差分对在相近的平面上是没有电流的,因为传输线彼此为对方提供回流路径。这个观点是错误的。在一个PCB上,电路回流路径是在参考平面上每条线的下方直接流回的,如图一所示。

如果一个差分对是完全平衡的,那么紧密耦合就能够有效抵消磁场。如果没有良好平衡,那抵消程度也不取决于耦合程度,而是取决于差分对的共模平衡。许多数字驱动器的共模平衡都不佳,因此差分对在共模时辐射的功率要远高于差模。这种情况下,紧密耦合两条传输线对减少辐射没有任何作用。

根据FCC B级标准,微带线对间距20mil时,在1GHz频率下,差模辐射理论上应该比单端线上同样信号所产生的辐射低40dB。共模信号在辐射中起主要作用,缩小对线间的距离并不能改善这一情况。

对于完全平衡的差分信号,因为携带的信号等值且相反,两根线对外辐射的电磁场可以完全抵消。但是,一个共模信号代表的是一对线中两个信号的平均值。两条路径上的辐射是完全相同的,因此辐射不仅没有抵消反而还加强了。为了最小化辐射和串扰,你必须想清楚差分信号形成共模的原理是什么——偏移导致了共模信号的产生。

可以说,差分信号的不平衡主要是由于两条线间的时间延迟偏移所导致的。减小这种偏移的最简单方式就是匹配电长度并且在其出现后通过添加长度(也就是延迟)到短的线来进行校正。不幸的是,玻璃树脂复合物中介电常数的变化也会引起时间延迟偏移。这种由织物引起的偏移可以通过使用扁平玻璃做织物材料来将偏移最小化,如Isola I-Speed, I-Speed IS和Tachyon-100G 这种专门为高速应用开发的材料。

在过孔和引脚周围布线时要绕过障碍,这样会造成传输线弯曲和不对称,这时差模也会转变成共模。在之前的专栏超越设计:差分对布线中,我总结了对称性是在高速设计中成功应用差分信号的关键。保持等值、相反的振幅和时间关系是使用差分对时的概念原则。围绕沿着互连线的轴线的镜面对称(如图2)能避免模式变换。对称性将信号保持在差模,这样就不会产生辐射。共模噪声对信号完整性的影响很小,但是对EMI有严重的影响。

byus2.jpg

 

图2:对称差分对

    减少传输线弯曲的大小也能够减少模式变换的发生。任何由弯曲造成的偏移都应在弯曲之后立即校正,这样传输线的大部分才是平衡的。同样,在具有带状线的结构中布线也会有同等的共模和差模传播速度,可以帮助减少远端模式变换。

从图三可以看到,这一特定微带线的差分阻抗在传输线间距超过12 mils时保持在100 ohms(蓝色曲线)。这一结果是经过场解算器的多次仿真很快得出的。所以在其他条件都相同的情况下,不论间距是否增加,差分电阻都会保持在100 ohms。这样传输线在分开绕过障碍物(引脚和过孔)时就不会改变阻抗值。这一曲线清晰地表示出了设计空间,也可以通过有效定义单端模式和差分对中的叠层结构来提高你的生产效率。这种情况下,一旦两条线之间的距离超过了12 mils,其传输的就是单端信号。

一些信号标准规定了差分阻抗和共模阻抗都要指定,但很多则没有要求。这样就给用户提供了根据不同应用情况做不同设置的自由。这两类阻抗与差分对的耦合强度有关。两条线挨得越近,差分阻抗和共模阻抗就都会越小。

byus3.jpg

图3:差分阻抗在间距超过12 mils时阻值情况,由 iCD Stackup Planner 仿真

    在疏耦合中,经常会遇到这样一种情况:两条传输线必须紧紧挨着穿过非常拥挤的区域,如连接器区、BGA、过孔和其他焊盘图形中。为了能让两条线挨得更近使阻抗降低,这两条线也必须更细。大多数PCB制造商会将线宽限制在3 mil以内。当然,线越细,价格越贵。

同样,由于传输线越来越细,电流被迫流入细的铜线中,这就增加了线的电阻、电感和趋肤效应损耗。和普遍观点正相反,紧密耦合的差分对不会增加EMI,因为驱动器发出的本身就是不平衡的(偏移)共模信号发出的辐射。

总的来说,想要最小化差分对的辐射和串扰,必须想明白信号中形成共模的原因是什么。紧密耦合和疏耦合哪一个更好不是问题的关键,问题的关键是哪种情况下能更好地避免导致共模信号产生的时间偏移发生。精确地知道差分阻抗在那种情况下能达到平稳状态非常重要,但是若没有一个好的场解算器来仿真信号耦合和飞越时间,你也只能是胡乱猜测,而胡乱猜测可不是好的设计原则。

要点

  • 传统观点告诉我们:信号间的紧密耦合要优于疏耦合,因为紧密耦合能减少干扰信号的耦合和串扰。
  • 在一块PCB上,电路回流路径是在参考平面上每条线下方直接流回。
  • 如果一个差分对不是完全平衡的,那抵消程度就不取决于耦合程度,而是取决于差分对的共模平衡。
  • 许多数字驱动器的共模平衡都不佳,因此差分对在共模时辐射的功率要远高于差模。
  • 对于完全平衡的差分信号,因为信号等值且相反,两根线对外辐射的电磁场可以完全抵消。
  • 共模信号代表的是一对线中两个信号的平均值。两条线上的辐射是完全相同的,因此辐射不仅没有相抵消反而还加强了。
  • 为了将辐射和串扰降到最低,你必须想清楚差分信号中形成共模的原理是什么——偏移导致了共模信号的产生。
  • 减小这种偏移的最简单方式就是匹配电长度并且在其出现后通过添加长度(也就是延迟)到短的线来进行校正。
  • 玻璃-树脂复合物中介电常数的变化也会引起时间延迟偏移。
  • 在过孔和引脚周围布线时要绕过障碍,这样会造成传输线弯曲和不对称,这时差模也会转变成共模。
  • 围绕沿着互连线的轴线的镜面对称能避免模式变换。对称性将信号保持在差模,这样就不会产生辐射。
  • 差分阻抗会在一个特定的耦合程度达到平稳状态。超过这个程度以后,不论间距是否增加,差分电阻都会保持不变。
  • 为了能让两条线挨得更近使差分阻抗和共模阻抗都降低,这两条线也要制造得更细。
  • 细的传输线增加了线的电阻、电感和趋肤效应损耗。
  • 和普遍观点正相反,紧密耦合的差分对不会增加EMI。PCBDESIGN

References 参考文献

 

  1. Barry Olney, Beyond Design, “Differential Pair Routing.” 
  2. Eric Bogatin, Fundamental Myth-Conceptions
  3. Lee Ritchey, Right the First Time. 
  4. Yuriy Shlepnev, Analysis of differential line transition from tight to loose coupling, and practical notes on mixed-mode transformations in differential interconnects. 
  5. Howard Johnson, High Speed Digital Design.

 

Barry Olney澳大利亚In-Circuit Design Pty Ltd (iCD) 常务董事。该公司是一家PCB设计服务公司,专门从事电路板级仿真服务。iCD开发了iCD Stackup Planner和iCD PDN Planner软件。 请访问www.icd.com.au了解详情。