处理(lǐ) Flex PCB中的差分(fēn)信号

2021-09-09

处理(lǐ) Flex PCB中的差分(fēn)信号

大多(duō)数现代设备采用(yòng)差分(fēn)信号来满足高速和高数据速率的需求。如果使用(yòng)适当的设计原则和工具，控制刚性PCB中的差分(fēn)信号很(hěn)简单。然而，在柔性電(diàn)路中处理(lǐ)差分(fēn)信号会带来一些设计挑战。

两条传输線(xiàn)在相同极性和相反极性的信号之上具有(yǒu)共模信号，形成差分(fēn)对。这两个差分(fēn)信号具有(yǒu)相等、相反且彼此接近定时的特征。除了相等、相反和紧时之外，当PCB设计采用(yòng)差分(fēn)对时，其他(tā)特性并不重要。

使用(yòng)差分(fēn)对时，保持相等和相反的幅度和时序关系是先决条件。例如，一个共模信号可(kě)能(néng)是 1.5V，上面有(yǒu) 0.25V 的差分(fēn)信号。差分(fēn)对的“A”線(xiàn)可(kě)能(néng)是（1.5V + 0.25V = 1.75V），而“B”線(xiàn)是（1.5V – 0.25V = 1.25V）。两条線(xiàn)之间的差值為(wèi)+0.5V。当 B 上的電(diàn)压（1.75V）高于 A 上的電(diàn)压（1.25V）时，A 和 B 之间的差值為(wèi) -0.5V。由于两条線(xiàn)之间的電(diàn)压差较小(xiǎo)（此处仅為(wèi) 0.5V），差分(fēn)对的作用(yòng)比单端線(xiàn)快。因此，差分(fēn)走線(xiàn)上的信号速度更快。

柔性電(diàn)路中的差分(fēn)信号是通过将它们设计為(wèi)表面微带線(xiàn)来实现的。通过这种方法，可(kě)以创建高速、高数据速率的柔性電(diàn)路。当采用(yòng) HDMI、USB 和PCI Express时，差分(fēn)信号用(yòng)于这些类型的電(diàn)路板。

我们什么时候需要差分(fēn)信号？ 

在以下情况下需要差分(fēn)信号：

信号路径末端之间的接地连接较弱

沿信号路径有(yǒu)明显衰减

需要在短时间内发送大量信息，即高数据速率需求

如何设计柔性板来实现差分(fēn)信号？

柔性電(diàn)路中的差分(fēn)信号遵循表面微带传输線(xiàn)的设计方法。表面微带線(xiàn)是通过蚀刻双面材料的一个表面形成的。顶层和侧面暴露在空气中，并以電(diàn)源或地平面為(wèi)参考。

微带線(xiàn)允许更薄的柔性 PCB设计（2 层，薄芯），而带状線(xiàn)可(kě)显着增加柔性厚度（3 层，2 个较厚的芯）。带状線(xiàn) PCB 几何形状比微带设计厚约 75%。

带有(yǒu)带状線(xiàn)的 Flex PCB 控制阻抗堆叠

用(yòng)于柔性差分(fēn)信号的表面微带線(xiàn)

评估屏蔽要求以确定适合的配置。简而言之，更薄的受控阻抗走線(xiàn)宽度支持更薄的铜和芯線(xiàn)，从而提高灵活性和机械弯曲可(kě)靠性。

為(wèi)什么差分(fēn)对用(yòng)于数字或模拟信号路径？

因為(wèi)信号路径两端之间的接地连接可(kě)能(néng)很(hěn)弱并且会影响数据质量。

链路可(kě)能(néng)会经历显着的信号衰减，但同时可(kě)以按预期运行。

最后但并非最不重要的一点是，差分(fēn)对用(yòng)于具有(yǒu)非常高数据速率的数据路径，例如千兆位和更高的链路。差分(fēn)路径可(kě)以在标准PCB材料的铜轨上以高达 10Gb/s 的速率导出。另一方面，单端線(xiàn)路则无法做到这一点。

什么是柔性 PCB 中的交叉影線(xiàn)或网状接地平面？

交叉影線(xiàn)是一种使 PCB 上的特定平面或大面积铜區(qū)域看起来像铜晶格的技术。规则孔，类似于在纱门中看到的孔，以固定间隔隔开。在刚性 PCB 中不再需要对平面进行交叉影線(xiàn)，但它仍然用(yòng)于柔性和刚柔结合设计，在这些设计中它可(kě)以带来许多(duō)优势。

实际上，交叉剖面線(xiàn)平面是在 CAD 或CAM 系统中创建的，其中剖面線(xiàn)區(qū)域是一个填充區(qū)域，其中包含一系列周期性间隔的線(xiàn)，类似于信号层中绘制的迹線(xiàn)。然后，该區(qū)域以一条细線(xiàn)作為(wèi)边界，该線(xiàn)将交叉阴影線(xiàn)的末端连接起来。与此交叉影線(xiàn)的连接（例如電(diàn)源或接地连接）的建立方式与它们在实體(tǐ)平面中的建立方式相同。柔性 PCB 中的交叉影線(xiàn)应用(yòng)将在以下部分(fēn)进行解释。

在柔性阻抗控制：甲舱口地是提供所需的参考平面的有(yǒu)用(yòng)方式受控阻抗路由上的高速数字電(diàn)路板。舱口地面提供更广泛、更可(kě)制造的尺寸，同时保持電(diàn)路和组装的灵活性。值得注意的是，交叉影線(xiàn)减少了传输線(xiàn)下的铜量，从而降低了其電(diàn)容，并增加了阻抗。

為(wèi)柔性區(qū)域提供结构支撑：使用(yòng)舱口接地提供动态或静态柔性带所需的结构支撑，而不会影响铜层的刚度。 

建议使用(yòng)考虑交叉阴影平面中缺失铜的建模工具来确定精确阻抗所需的走線(xiàn)宽度。由于穿过阴影接地區(qū)域的走線(xiàn)阻抗大于实心接地區(qū)域的阻抗，因此必须降低走線(xiàn)的電(diàn)感以保持阻抗受控。这就是為(wèi)什么应该将跟踪构建得更宽的原因。这会降低走線(xiàn)的電(diàn)感并提高相对于阴影接地的总電(diàn)容。这两种技术都会适当地调整阻抗。

导致挠性 PCB 信号失真的因素

互连長(cháng)度

PCB互连的長(cháng)度与信号失真成正比

与 TEM（横向電(diàn)磁模式）互连相比，板互连的長(cháng)度在采用(yòng)交叉影線(xiàn)平面的非 TEM 互连中至关重要

由于交叉影線(xiàn)导致介電(diàn)常数的重复变化

交叉影線(xiàn)会在柔性 PCB 中引入并联谐振，将信号幅度降低到不希望的水平并降低電(diàn)路板的有(yǒu)效可(kě)用(yòng)带宽。这是因為(wèi)交叉影線(xiàn)图案的介電(diàn)质的周期性变化以及铜長(cháng)度的变化。

差分(fēn)对中信号走線(xiàn)的错位

差分(fēn)对中信号走線(xiàn)的错位

信号走線(xiàn)和交叉阴影层的未对准会在差分(fēn)对互连中的两条信号走線(xiàn)之间产生阻抗不对称和偏斜。

相声

当返回平面是交叉影線(xiàn)时，与两个相邻互连相关的返回電(diàn)流会发生干扰，从而导致串扰。对于交叉影線(xiàn)板，当一条或多(duō)条走線(xiàn)夹在同一层的两条走線(xiàn)之间时，串扰就成為(wèi)一个严重的问题。这有(yǒu)可(kě)能(néng)显着降低信号质量。

将交叉阴影图案方向从垂直切换到水平是最小(xiǎo)化串扰的最佳方法。

优化交叉影線(xiàn)图案以减少信号失真

实心和交叉影線(xiàn)返回平面

实心返回平面中每条传输線(xiàn)的返回電(diàn)流沿信号的相反方向流动，确保它们不会相互干扰。当返回平面為(wèi)交叉影線(xiàn)且電(diàn)场和磁场不垂直（它们是非 TEM）时，電(diàn)流会穿过非平行的返回路径。这会导致信号失真。

尽管实际上，不可(kě)能(néng)使交叉影線(xiàn)返回平面互连以与实心返回平面相同的方式执行。通过改变与信号迹線(xiàn)相关的交叉影線(xiàn)图案的大小(xiǎo)、形状和方向，可(kě)以将信号失真降低到可(kě)接受的水平。

菱形交叉影線(xiàn)图案优于方形交叉影線(xiàn)图案。图形的最長(cháng)長(cháng)度应与信号走線(xiàn)平行。

交叉影線(xiàn)图案的最長(cháng)長(cháng)度应小(xiǎo)于或等于 1.27 毫米（50 密耳）。

交叉影線(xiàn)图案的最短長(cháng)度应小(xiǎo)于其最長(cháng)長(cháng)度的一半。

菱形交叉影線(xiàn)图案

4. 将交叉影線(xiàn)交叉点之间的单端走線(xiàn)居中对齐。

5. 在每条单端走線(xiàn)之间实现两个或多(duō)个交叉影線(xiàn)交叉点可(kě)以减少串扰。

用(yòng)于减少串扰的交叉影線(xiàn)交叉点

6. 差分(fēn)走線(xiàn)应跨越交叉影線(xiàn)交叉点。

7. 在差分(fēn)对之间保留一个或多(duō)个空的菱形交叉影線(xiàn)可(kě)以最小(xiǎo)化串扰。

8. 小(xiǎo)于 1 英寸或 2.5 厘米的传输線(xiàn)总長(cháng)度比長(cháng)度超过 3 至 5 英寸或 8 至 12 厘米的传输線(xiàn)引起的失真更小(xiǎo)。

交叉影線(xiàn)交叉点上差分(fēn)迹線(xiàn)的对齐

如何在柔性 PCB 中使用(yòng)网状接地层来保持信号完整性？

在挠性板和刚挠结合板中，阴影或网状接地平面是提供恒定 0V 参考的常用(yòng)方法。这导致大导體(tǐ)可(kě)以在很(hěn)宽的频率范围内屏蔽，同时使柔性带弯曲和折叠而不会变得太硬。

剖面線(xiàn)的工作方式与任何其他(tā)地平面的工作方式相同。其目的是為(wèi)设计具有(yǒu)所需阻抗的走線(xiàn)提供恒定参考。在具有(yǒu)网状接地平面的刚柔结合板或柔性板中，可(kě)以使用(yòng)任何标准传输線(xiàn)几何形状（微带、带状線(xiàn)或波导）。在低频下，柔性带表面层上的阴影铜區(qū)域产生与实心铜几乎相同的效果。

带网状接地平面的柔性带上带状線(xiàn)和微带線(xiàn)布線(xiàn)的常见配置如下所示。

带网格的柔性带上的带状線(xiàn)和微带布線(xiàn)

L和W是网格平面构建的两个重要几何参数。可(kě)以组合这两个变量以提供填充因子或要被铜填充的网格區(qū)域的百分(fēn)比。以下是更改这些参数的结果：

保持所有(yǒu)其他(tā)参数不变，增加网格面积（通过增加 L）会增加阻抗。它还使弯曲色带更容易。

当 W 增加而其他(tā)参数保持不变时，网格區(qū)域会关闭，导致阻抗增加。它使弯曲色带更难。

差分(fēn)信号的优缺点是什么？

差分(fēn)信号的优点

单端和差分(fēn)传输中的噪声

差分(fēn)对中的共模噪声為(wèi)零。

由于它们具有(yǒu)跨接地平面的低返回路径，因此可(kě)以避免由于接地返回路径错误造成的信号损失。

通过使用(yòng)差分(fēn)对 (SNR) 提高了信噪比 (SNR)。

由于信号路由紧密，因此外部噪声会同时以相同的数量到达两者。它增加了噪声抑制的可(kě)能(néng)性。

差分(fēn)信号可(kě)以通过嘈杂的電(diàn)源边界和模拟/数字平面进行路由。以这种方式布線(xiàn)可(kě)降低信号上的EMI。

差分(fēn)信号的缺点

需要适当的布線(xiàn)方法以及仔细考虑長(cháng)度、空间和阻抗

如果布線(xiàn)不准确，可(kě)能(néng)会导致问题并引入大量噪音

柔性 PCB 中差分(fēn)对布線(xiàn)的技巧

布線(xiàn)差分(fēn)对时，始终匹配走線(xiàn)的長(cháng)度。接收器的上升时间用(yòng)于建立差分(fēn)对的長(cháng)度匹配容差。

某些形式的差分(fēn)对需要在PCB布局中进行特定的阻抗匹配。在这种情况下，布線(xiàn)的宽度、间距和厚度必须匹配。 

如果需要更改一个信号层，那么最好同时更改两个信号层。当过孔的長(cháng)度影响信号平衡时，在一层上布線(xiàn)一个信号而在另一层上布線(xiàn)另一个信号是一种不好的做法。

差分(fēn)对的成员不必布線(xiàn)在一起。

应将“不接近”标准应用(yòng)于差分(fēn)对的成员。

差分(fēn)对之间的距离应根据叠层设计确定。

带有(yǒu)过孔和直角弯曲的差分(fēn)对是可(kě)以接受的。

AC 耦合電(diàn)容器可(kě)以放置在整个差分(fēn)对長(cháng)度的任何位置。

可(kě)以為(wèi)每个差分(fēn)对成员指定单端阻抗。

差分(fēn)对并行终端的尺寸应位于 PCB走線(xiàn)阻抗容差的高侧。

由于 PCB 不提供共模降噪，串扰间隔规定必须考虑到这一点。

与共面布線(xiàn)相比，宽边差分(fēn)对布線(xiàn)的 PCB布局更具挑战性。

通过使用(yòng)对称方法减少不连续性。為(wèi)确保顺利启动，可(kě)能(néng)需要放弃 45 度路由。

覆铜和缝合通孔為(wèi)高速布線(xiàn)提供了安全环境。

線(xiàn)路之间的气隙大于線(xiàn)路本身的宽度，表明耦合松散。对于松耦合，某些不连续性是可(kě)以接受的。紧密耦合占用(yòng)的空间更少，并且需要更少的凸点来适应布線(xiàn)中的拐角。

不适用(yòng)于 PCB 上布線(xiàn)的差分(fēn)信号的规则

差分(fēn)对中一个成员的返回電(diàn)流流入另一个成员。

将铁氧體(tǐ)磁珠置于差分(fēn)驱动器的 Vdd 引線(xiàn)中。

差分(fēn)阻抗是执行差分(fēn)信号所必需的。

宽边差分(fēn)对布線(xiàn)提高了信号完整性。

使用(yòng)差分(fēn)对比使用(yòng)单端连接更困难。当柔性電(diàn)路弯曲并具有(yǒu)不寻常的角度时，这种差异在柔性電(diàn)路體(tǐ)系中被放大。归根结底，我们只是比较两个信号以检查它们是处于 HIGH 还是 LOW 逻辑状态，然后继续进行下一个。柔性 PCB 中的差分(fēn)信号不仅可(kě)以节省功耗，还可(kě)以更好地消除噪音。

结合差分(fēn)对在设计方面非常具有(yǒu)挑战性，但也提供了阻抗控制和信号完整性改进等好处。