处理 Flex PCB中的差分信号

2021-09-09

处理 Flex PCB中的差分信号

大多数现代设备采用差分信号来满足高速和高数据速率的需求。如果使用适当的设计原则和工具，控制刚性PCB中的差分信号很简单。然而，在柔性电路中处理差分信号会带来一些设计挑战。

两条传输线在相同极性和相反极性的信号之上具有共模信号，形成差分对。这两个差分信号具有相等、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设计采用差分对时，其他特性并不重要。

使用差分对时，保持相等和相反的幅度和时序关系是先决条件。例如，一个共模信号可能是 1.5V，上面有 0.25V 的差分信号。差分对的“A”线可能是（1.5V + 0.25V = 1.75V），而“B”线是（1.5V – 0.25V = 1.25V）。两条线之间的差值为+0.5V。当 B 上的电压（1.75V）高于 A 上的电压（1.25V）时，A 和 B 之间的差值为 -0.5V。由于两条线之间的电压差较小（此处仅为 0.5V），差分对的作用比单端线快。因此，差分走线上的信号速度更快。

柔性电路中的差分信号是通过将它们设计为表面微带线来实现的。通过这种方法，可以创建高速、高数据速率的柔性电路。当采用 HDMI、USB 和PCI Express时，差分信号用于这些类型的电路板。

我们什么时候需要差分信号？ 

在以下情况下需要差分信号：

信号路径末端之间的接地连接较弱

沿信号路径有明显衰减

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信号？

柔性电路中的差分信号遵循表面微带传输线的设计方法。表面微带线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，并以电源或地平面为参考。

微带线允许更薄的柔性 PCB设计（2 层，薄芯），而带状线可显着增加柔性厚度（3 层，2 个较厚的芯）。带状线 PCB 几何形状比微带设计厚约 75%。

带有带状线的 Flex PCB 控制阻抗堆叠

用于柔性差分信号的表面微带线

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

为什么差分对用于数字或模拟信号路径？

因为信号路径两端之间的接地连接可能很弱并且会影响数据质量。

链路可能会经历显着的信号衰减，但同时可以按预期运行。

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

什么是柔性 PCB 中的交叉影线或网状接地平面？

交叉影线是一种使 PCB 上的特定平面或大面积铜区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线，但它仍然用于柔性和刚柔结合设计，在这些设计中它可以带来许多优势。

实际上，交叉剖面线平面是在 CAD 或CAM 系统中创建的，其中剖面线区域是一个填充区域，其中包含一系列周期性间隔的线，类似于信号层中绘制的迹线。然后，该区域以一条细线作为边界，该线将交叉阴影线的末端连接起来。与此交叉影线的连接（例如电源或接地连接）的建立方式与它们在实体平面中的建立方式相同。柔性 PCB 中的交叉影线应用将在以下部分进行解释。

在柔性阻抗控制：甲舱口地是提供所需的参考平面的有用方式受控阻抗路由上的高速数字电路板。舱口地面提供更广泛、更可制造的尺寸，同时保持电路和组装的灵活性。值得注意的是，交叉影线减少了传输线下的铜量，从而降低了其电容，并增加了阻抗。

为柔性区域提供结构支撑：使用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线宽度。由于穿过阴影接地区域的走线阻抗大于实心接地区域的阻抗，因此必须降低走线的电感以保持阻抗受控。这就是为什么应该将跟踪构建得更宽的原因。这会降低走线的电感并提高相对于阴影接地的总电容。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

互连长度

PCB互连的长度与信号失真成正比

与 TEM（横向电磁模式）互连相比，板互连的长度在采用交叉影线平面的非 TEM 互连中至关重要

由于交叉影线导致介电常数的重复变化

交叉影线会在柔性 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电路板的有效可用带宽。这是因为交叉影线图案的介电质的周期性变化以及铜长度的变化。

差分对中信号走线的错位

差分对中信号走线的错位

信号走线和交叉阴影层的未对准会在差分对互连中的两条信号走线之间产生阻抗不对称和偏斜。

相声

当返回平面是交叉影线时，与两个相邻互连相关的返回电流会发生干扰，从而导致串扰。对于交叉影线板，当一条或多条走线夹在同一层的两条走线之间时，串扰就成为一个严重的问题。这有可能显着降低信号质量。

将交叉阴影图案方向从垂直切换到水平是最小化串扰的最佳方法。

优化交叉影线图案以减少信号失真

实心和交叉影线返回平面

实心返回平面中每条传输线的返回电流沿信号的相反方向流动，确保它们不会相互干扰。当返回平面为交叉影线且电场和磁场不垂直（它们是非 TEM）时，电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，不可能使交叉影线返回平面互连以与实心返回平面相同的方式执行。通过改变与信号迹线相关的交叉影线图案的大小、形状和方向，可以将信号失真降低到可接受的水平。

菱形交叉影线图案优于方形交叉影线图案。图形的最长长度应与信号走线平行。

交叉影线图案的最长长度应小于或等于 1.27 毫米（50 密耳）。

交叉影线图案的最短长度应小于其最长长度的一半。

菱形交叉影线图案

4. 将交叉影线交叉点之间的单端走线居中对齐。

5. 在每条单端走线之间实现两个或多个交叉影线交叉点可以减少串扰。

用于减少串扰的交叉影线交叉点

6. 差分走线应跨越交叉影线交叉点。

7. 在差分对之间保留一个或多个空的菱形交叉影线可以最小化串扰。

8. 小于 1 英寸或 2.5 厘米的传输线总长度比长度超过 3 至 5 英寸或 8 至 12 厘米的传输线引起的失真更小。

交叉影线交叉点上差分迹线的对齐

如何在柔性 PCB 中使用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 参考的常用方法。这导致大导体可以在很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。

剖面线的工作方式与任何其他地平面的工作方式相同。其目的是为设计具有所需阻抗的走线提供恒定参考。在具有网状接地平面的刚柔结合板或柔性板中，可以使用任何标准传输线几何形状（微带、带状线或波导）。在低频下，柔性带表面层上的阴影铜区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线和微带线布线的常见配置如下所示。

带网格的柔性带上的带状线和微带布线

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

保持所有其他参数不变，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 增加而其他参数保持不变时，网格区域会关闭，导致阻抗增加。它使弯曲色带更难。

差分信号的优缺点是什么？

差分信号的优点

单端和差分传输中的噪声

差分对中的共模噪声为零。

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

通过使用差分对 (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能性。

差分信号可以通过嘈杂的电源边界和模拟/数字平面进行路由。以这种方式布线可降低信号上的EMI。

差分信号的缺点

需要适当的布线方法以及仔细考虑长度、空间和阻抗

如果布线不准确，可能会导致问题并引入大量噪音

柔性 PCB 中差分对布线的技巧

布线差分对时，始终匹配走线的长度。接收器的上升时间用于建立差分对的长度匹配容差。

某些形式的差分对需要在PCB布局中进行特定的阻抗匹配。在这种情况下，布线的宽度、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。当过孔的长度影响信号平衡时，在一层上布线一个信号而在另一层上布线另一个信号是一种不好的做法。

差分对的成员不必布线在一起。

应将“不接近”标准应用于差分对的成员。

差分对之间的距离应根据叠层设计确定。

带有过孔和直角弯曲的差分对是可以接受的。

AC 耦合电容器可以放置在整个差分对长度的任何位置。

可以为每个差分对成员指定单端阻抗。

差分对并行终端的尺寸应位于 PCB走线阻抗容差的高侧。

由于 PCB 不提供共模降噪，串扰间隔规定必须考虑到这一点。

与共面布线相比，宽边差分对布线的 PCB布局更具挑战性。

通过使用对称方法减少不连续性。为确保顺利启动，可能需要放弃 45 度路由。

覆铜和缝合通孔为高速布线提供了安全环境。

线路之间的气隙大于线路本身的宽度，表明耦合松散。对于松耦合，某些不连续性是可以接受的。紧密耦合占用的空间更少，并且需要更少的凸点来适应布线中的拐角。

不适用于 PCB 上布线的差分信号的规则

差分对中一个成员的返回电流流入另一个成员。

将铁氧体磁珠置于差分驱动器的 Vdd 引线中。

差分阻抗是执行差分信号所必需的。

宽边差分对布线提高了信号完整性。

使用差分对比使用单端连接更困难。当柔性电路弯曲并具有不寻常的角度时，这种差异在柔性电路体系中被放大。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 中的差分信号不仅可以节省功耗，还可以更好地消除噪音。

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