處理 Flex PCB中的差分信號

2021-09-09

處理 Flex PCB中的差分信號

大多數現代設備采用差分信號來滿足高速和高數據速率的需求。如果使用適當的設計原則和工具，控制剛性PCB中的差分信號很簡單。然而，在柔性電路中處理差分信號會帶來一些設計挑戰。

兩條傳輸線在相同極性和相反極性的信號之上具有共模信號，形成差分對。這兩個差分信號具有相等、相反且彼此接近定時的特征。除了相等、相反和緊時之外，當PCB設計采用差分對時，其他特性并不重要。

使用差分對時，保持相等和相反的幅度和時序關系是先決條件。例如，一個共模信號可能是 1.5V，上面有 0.25V 的差分信號。差分對的“A”線可能是（1.5V + 0.25V = 1.75V），而“B”線是（1.5V – 0.25V = 1.25V）。兩條線之間的差值為+0.5V。當 B 上的電壓（1.75V）高于 A 上的電壓（1.25V）時，A 和 B 之間的差值為 -0.5V。由于兩條線之間的電壓差較小（此處僅為 0.5V），差分對的作用比單端線快。因此，差分走線上的信號速度更快。

柔性電路中的差分信號是通過將它們設計為表面微帶線來實現的。通過這種方法，可以創建高速、高數據速率的柔性電路。當采用 HDMI、USB 和PCI Express時，差分信號用于這些類型的電路板。

我們什么時候需要差分信號？ 

在以下情況下需要差分信號：

信號路徑末端之間的接地連接較弱

沿信號路徑有明顯衰減

需要在短時間內發送大量信息，即高數據速率需求

如何設計柔性板來實現差分信號？

柔性電路中的差分信號遵循表面微帶傳輸線的設計方法。表面微帶線是通過蝕刻雙面材料的一個表面形成的。頂層和側面暴露在空氣中，并以電源或地平面為參考。

微帶線允許更薄的柔性 PCB設計（2 層，薄芯），而帶狀線可顯著增加柔性厚度（3 層，2 個較厚的芯）。帶狀線 PCB 幾何形狀比微帶設計厚約 75%。

帶有帶狀線的 Flex PCB 控制阻抗堆疊

用于柔性差分信號的表面微帶線

評估屏蔽要求以確定適合的配置。簡而言之，更薄的受控阻抗走線寬度支持更薄的銅和芯線，從而提高靈活性和機械彎曲可靠性。

為什么差分對用于數字或模擬信號路徑？

因為信號路徑兩端之間的接地連接可能很弱并且會影響數據質量。

鏈路可能會經歷顯著的信號衰減，但同時可以按預期運行。

最后但并非最不重要的一點是，差分對用于具有非常高數據速率的數據路徑，例如千兆位和更高的鏈路。差分路徑可以在標準PCB材料的銅軌上以高達 10Gb/s 的速率導出。另一方面，單端線路則無法做到這一點。

什么是柔性 PCB 中的交叉影線或網狀接地平面？

交叉影線是一種使 PCB 上的特定平面或大面積銅區域看起來像銅晶格的技術。規則孔，類似于在紗門中看到的孔，以固定間隔隔開。在剛性 PCB 中不再需要對平面進行交叉影線，但它仍然用于柔性和剛柔結合設計，在這些設計中它可以帶來許多優勢。

實際上，交叉剖面線平面是在 CAD 或CAM 系統中創建的，其中剖面線區域是一個填充區域，其中包含一系列周期性間隔的線，類似于信號層中繪制的跡線。然后，該區域以一條細線作為邊界，該線將交叉陰影線的末端連接起來。與此交叉影線的連接（例如電源或接地連接）的建立方式與它們在實體平面中的建立方式相同。柔性 PCB 中的交叉影線應用將在以下部分進行解釋。

在柔性阻抗控制：甲艙口地是提供所需的參考平面的有用方式受控阻抗路由上的高速數字電路板。艙口地面提供更廣泛、更可制造的尺寸，同時保持電路和組裝的靈活性。值得注意的是，交叉影線減少了傳輸線下的銅量，從而降低了其電容，并增加了阻抗。

為柔性區域提供結構支撐：使用艙口接地提供動態或靜態柔性帶所需的結構支撐，而不會影響銅層的剛度。 

建議使用考慮交叉陰影平面中缺失銅的建模工具來確定精確阻抗所需的走線寬度。由于穿過陰影接地區域的走線阻抗大于實心接地區域的阻抗，因此必須降低走線的電感以保持阻抗受控。這就是為什么應該將跟蹤構建得更寬的原因。這會降低走線的電感并提高相對于陰影接地的總電容。這兩種技術都會適當地調整阻抗。

導致撓性 PCB 信號失真的因素

互連長度

PCB互連的長度與信號失真成正比

與 TEM（橫向電磁模式）互連相比，板互連的長度在采用交叉影線平面的非 TEM 互連中至關重要

由于交叉影線導致介電常數的重復變化

交叉影線會在柔性 PCB 中引入并聯諧振，將信號幅度降低到不希望的水平并降低電路板的有效可用帶寬。這是因為交叉影線圖案的介電質的周期性變化以及銅長度的變化。

差分對中信號走線的錯位

差分對中信號走線的錯位

信號走線和交叉陰影層的未對準會在差分對互連中的兩條信號走線之間產生阻抗不對稱和偏斜。

相聲

當返回平面是交叉影線時，與兩個相鄰互連相關的返回電流會發生干擾，從而導致串擾。對于交叉影線板，當一條或多條走線夾在同一層的兩條走線之間時，串擾就成為一個嚴重的問題。這有可能顯著降低信號質量。

將交叉陰影圖案方向從垂直切換到水平是最小化串擾的最佳方法。

優化交叉影線圖案以減少信號失真

實心和交叉影線返回平面

實心返回平面中每條傳輸線的返回電流沿信號的相反方向流動，確保它們不會相互干擾。當返回平面為交叉影線且電場和磁場不垂直（它們是非 TEM）時，電流會穿過非平行的返回路徑。這會導致信號失真。

盡管實際上，不可能使交叉影線返回平面互連以與實心返回平面相同的方式執行。通過改變與信號跡線相關的交叉影線圖案的大小、形狀和方向，可以將信號失真降低到可接受的水平。

菱形交叉影線圖案優于方形交叉影線圖案。圖形的最長長度應與信號走線平行。

交叉影線圖案的最長長度應小于或等于 1.27 毫米（50 密耳）。

交叉影線圖案的最短長度應小于其最長長度的一半。

菱形交叉影線圖案

4. 將交叉影線交叉點之間的單端走線居中對齊。

5. 在每條單端走線之間實現兩個或多個交叉影線交叉點可以減少串擾。

用于減少串擾的交叉影線交叉點

6. 差分走線應跨越交叉影線交叉點。

7. 在差分對之間保留一個或多個空的菱形交叉影線可以最小化串擾。

8. 小于 1 英寸或 2.5 厘米的傳輸線總長度比長度超過 3 至 5 英寸或 8 至 12 厘米的傳輸線引起的失真更小。

交叉影線交叉點上差分跡線的對齊

如何在柔性 PCB 中使用網狀接地層來保持信號完整性？

在撓性板和剛撓結合板中，陰影或網狀接地平面是提供恒定 0V 參考的常用方法。這導致大導體可以在很寬的頻率范圍內屏蔽，同時使柔性帶彎曲和折疊而不會變得太硬。

剖面線的工作方式與任何其他地平面的工作方式相同。其目的是為設計具有所需阻抗的走線提供恒定參考。在具有網狀接地平面的剛柔結合板或柔性板中，可以使用任何標準傳輸線幾何形狀（微帶、帶狀線或波導）。在低頻下，柔性帶表面層上的陰影銅區域產生與實心銅幾乎相同的效果。

帶網狀接地平面的柔性帶上帶狀線和微帶線布線的常見配置如下所示。

帶網格的柔性帶上的帶狀線和微帶布線

L和W是網格平面構建的兩個重要幾何參數?？梢越M合這兩個變量以提供填充因子或要被銅填充的網格區域的百分比。以下是更改這些參數的結果：

保持所有其他參數不變，增加網格面積（通過增加 L）會增加阻抗。它還使彎曲色帶更容易。

當 W 增加而其他參數保持不變時，網格區域會關閉，導致阻抗增加。它使彎曲色帶更難。

差分信號的優缺點是什么？

差分信號的優點

單端和差分傳輸中的噪聲

差分對中的共模噪聲為零。

由于它們具有跨接地平面的低返回路徑，因此可以避免由于接地返回路徑錯誤造成的信號損失。

通過使用差分對 (SNR) 提高了信噪比 (SNR)。

由于信號路由緊密，因此外部噪聲會同時以相同的數量到達兩者。它增加了噪聲抑制的可能性。

差分信號可以通過嘈雜的電源邊界和模擬/數字平面進行路由。以這種方式布線可降低信號上的EMI。

差分信號的缺點

需要適當的布線方法以及仔細考慮長度、空間和阻抗

如果布線不準確，可能會導致問題并引入大量噪音

柔性 PCB 中差分對布線的技巧

布線差分對時，始終匹配走線的長度。接收器的上升時間用于建立差分對的長度匹配容差。

某些形式的差分對需要在PCB布局中進行特定的阻抗匹配。在這種情況下，布線的寬度、間距和厚度必須匹配。 

如果需要更改一個信號層，那么最好同時更改兩個信號層。當過孔的長度影響信號平衡時，在一層上布線一個信號而在另一層上布線另一個信號是一種不好的做法。

差分對的成員不必布線在一起。

應將“不接近”標準應用于差分對的成員。

差分對之間的距離應根據疊層設計確定。

帶有過孔和直角彎曲的差分對是可以接受的。

AC 耦合電容器可以放置在整個差分對長度的任何位置。

可以為每個差分對成員指定單端阻抗。

差分對并行終端的尺寸應位于 PCB走線阻抗容差的高側。

由于 PCB 不提供共模降噪，串擾間隔規定必須考慮到這一點。

與共面布線相比，寬邊差分對布線的 PCB布局更具挑戰性。

通過使用對稱方法減少不連續性。為確保順利啟動，可能需要放棄 45 度路由。

覆銅和縫合通孔為高速布線提供了安全環境。

線路之間的氣隙大于線路本身的寬度，表明耦合松散。對于松耦合，某些不連續性是可以接受的。緊密耦合占用的空間更少，并且需要更少的凸點來適應布線中的拐角。

不適用于 PCB 上布線的差分信號的規則

差分對中一個成員的返回電流流入另一個成員。

將鐵氧體磁珠置于差分驅動器的 Vdd 引線中。

差分阻抗是執行差分信號所必需的。

寬邊差分對布線提高了信號完整性。

使用差分對比使用單端連接更困難。當柔性電路彎曲并具有不尋常的角度時，這種差異在柔性電路體系中被放大。歸根結底，我們只是比較兩個信號以檢查它們是處于 HIGH 還是 LOW 邏輯狀態，然后繼續進行下一個。柔性 PCB 中的差分信號不僅可以節省功耗，還可以更好地消除噪音。

結合差分對在設計方面非常具有挑戰性，但也提供了阻抗控制和信號完整性改進等好處。