LVDS это тоже диф. пара, пусть и "своеобразная", это не суть в данном случае. Вы совершенно правильно все пишете СОГЛАСНО ТЕОРИИ, которая выносит за рамки вопрос практической реализации. Конкретно в Вашей схеме АПРИОРИ ПОЛАГАЕТСЯ, что LVDS линия уже реализована, т.е. обеспечено необходимое волновое сопротивление по всей длине линии. На плате, В РЕАЛЬНОСТИ, сие ещё надо реализовать. Т.е. необходимо иметь микрополозковую линию, в которой ПО ЗЕМЛЯНОМУ (опорному) слою должен протекать ток соответствующий току в сигнальной связи. Заметьте: ДЛЯ КАЖДОЙ СВЯЗИ диф. пары сие необходимо выполнить, а уж для линий LVDS это требование является критически важным (учитывая скорости передачи). Этот момент очень часто упускается из виду при трассировке, как раз из-за того что в теории (которая этот момент не рассматривает в принципе) ток по земляной шине для LVDS шины равен нулю. СУММАРНЫЙ ТОК, который равен сумме всех КОНТУРНЫХ ТОКОВ. Если ВЫ "рванете" опорный слой под сигнальной линией, то разорвете путь КОНТУРНОГО тока и нарушите согласование в микроползковой линии со всеми отсюда вытекающими. Экспедишн просто не позволит Вам такое сделать (разорвать опорный слой под сигнальным проводником) и будет абсолютно прав, ну а мурзилка типа PCAD о сем даже и не подозревает. Как и ея пользователи (надеюсь, к Вам сие не относится).

Читал рекомендацию по реализации LVDS без опорного слоя (в нем делаются вырезы по трассе шины) при этом микрополозок РЕКОМЕНДУЮТ реализовать на базе прямой и ннверсной сигнальных связей. Это достаточно "прикольное" решение, поскольку в реальности передатчики не строго идентичны и как следствие сама такая линия становится генератором помех, притом что её помехозащищенность от внешних сигналов тоже падает.

Гмм, а вообще да. У LVDS ведь не токовый выход, а напряженческий. Даже с dc/dc развязкой по сигнальным линиям обратный ток может только по земле вернуться. Был не прав

Спасибо всем откликнувшимся!


Для передачи сигнала без отражений нужна линия передачи с определенным импедансом (например, 100 Ом), согласованным с нагрузкой. Этот импеданс определяется в основном распределенной емкостью и индуктивностью линии передачи, которые зависят главным образом от геометрии линии и материала диэлектрика. В случае микрополосковой диф.линии емкостная связь дорожек обычно намного сильней с опорным слоем, чем друг с другом. Если бы мы передавали постоянный ток, то все было бы так, как вы сказали. Но для быстро нарастающего фронта передаваемого сигнала емкость на землю обладает конечным сопротивлением, через которое может течь ток. Неизбежно возникнет возвратный ток.


В 100-омной микрополосковой линии обеспечить нужный импеданс только за счет емкости между дорожками (связанными лишь по своей боковой стороне!) практически невозможно. Поэтому в опорном слое, связь с которым намного сильнее, возникнет возвратный ток. А вот в витой паре, за счет плотного скручивания проводов вместе, обеспечивается сильнейшая емкостная связь внутри пары и необходимость в земле отпадает, все равно ток по ней не потечет. В идеале, если линия и выходы передатчика идеально симметричны.

Вопрос был в том, что будет с возвратным током в микрополосковой линии с разрывом в опорном слое, к чему приведет этот разрыв и как правильно передать сигнал в таком случае.

Приведёт к скачку волнового сопротивления в линии, и нарушению signal integrity.
Вот и не надо под тактовым сигналом LVDS землю разрывать, т.е. либо вообще убрать разделение земель, либо соединить жирным перешейком под LVDS дифф-парой.

Вообще разделение земель без наличия большого опыта делать не рекомендуется, т.к. вред от разделения может быть гораздо больше возможной пользы.

Вот пример разделения земель из даташита АЦП LTC2299
Есть лишь вырезы в земле по краям АЦП для отделения возвратных токов цифровой и аналоговой части, а под АЦП земли соединены толстым перешейком.

Опишите путь, по которому протекает ток. Вот он вышел из передатчика, прошел по линии, дошел до нагрузки (100 Ом)... Дальше куда? В землю? Через что?

Как же тогда LVDS сигналы передают по проводкам? Без опорного слоя.





Т.е. если изменить нагрузку, то ток изменится? Ну, если выход как вы выразились "напряженческий". Или не изменится? Если не изменится, то это больше похоже все-таки на токовый. Или нет?

Ответ по возвратным токам нашел у Говарда Джонсона в его "Высшем курсе черной магии"

Здесь можно скачать нужную главу из книги, см. страницы 70-72.
www.books.ru/demo/demo_624874.pdf

Если кратко, то разрыв приведет к развороту возвратных токов в месте разрыва. На линию разрыв будет влиять как последовательно включенная в цепь индуктивность, величина которой зависит от площади разрыва, ограниченного дорожками диф.пары. Такая индуктивность будет влиять на линию как ФНЧ. Кроме того, разрыв будет вести себя как рамочная антенна, возбуждая высокочастотное магнитное поле - будет излучать. Все эффекты ослабляются с уменьшением площади разрыва.

Вывод:
Вести диф.пару над разрывом можно, но расплатившись за это индуктивностью в линии и паразитным излучением (поддается расчету). Площадь разрыва при этом, а значит и расстояние между парами и расстояние между опорными слоями, надо сделать минимально возможным.

То, что вы описываете - это протекание тока в single-ended проводнике. Да, эти же процессе присутствуют и в отдельной линии диф.пары и ток возвратный по земле там есть - переход происходит через ток смещения. Но весь вопрос - какова величина этого тока. И если у LVDS номинальный ток в линии 3.5 мА, то какую часть этого тока составляет упомянутый ток смещения? И вообще, нафига там ставят на парном передатчике приемник тока (ключ), прошедшего через терминальную нагрузку (100 Ом)? Взяли бы да и затерминировали бы у приемника. Как во всяких PECL и прочих.  Ан нет, зачем-то ток обратно тащут. 






При приближении зазора к нулю, емкость будет стремиться к бесконечности. Сомнительно, чтобы это кого-то устроило. Крайности редко где полезны, везде рулят компромиссы.

Насколько я понимаю, выходные драйверы у LVDS все же не токовые; да и в качестве вЫходных параметров указан размах сигнала и средняя точка - в вольтах.
На мой взгляд, очень хорошо работа LVDS обьяснена в этом документе:
http://focus.ti.com/lit/ug/slld009/slld009.pdf Страница 1-5
Показаны возвратные токи, и все такое.


Ток закоротки 24мА, по стандарту. И еще, по указанному выше документу, на странице 2-8 показана более "честная" эквивалентная схема драйвера, чем на предыдущей странице этого топика. Хотя обе схемы не содержат информации про среднюю точку. Чтобы разобраться до конца, надо достать спайс модель LVDS трансивера )

Сообщение отредактировал Shivers - Nov 26 2009, 09:41

Вы забываете, что мы имеем дело не с постоянным током, а с высокочастотным сигналом. При скорости нарастания фронта 200 пс, что вполне стандартно для современных LVDS драйверов, спектр такого сигнала будет занимать полосу порядка 2,5 ГГц (см. того же Говарда Джонсона). При распространении такого сигнала по печатному проводнику микрополосковой структуры основная часть э/м поля, возникающего вокруг проводника, будет сосредоточена между проводником и опорным слоем, так как связь с опорным слоем намного сильнее, чем связь с парной печатной дорожкой. Таким образом и возвратный ток будет течь главным образом в опорном слое. Соотношение между возвратным током по опорному слою и по второму проводнику можно уменьшить в пользу второго проводника, если сближать проводники между собой и отдалять от опорного слоя. В пределе это даст нам витую пару, где в идеале весь возвратный ток пойдет по парному проводу. Кстати, согласование на стороне приемника можно, делать отдельным резистором для каждого проводника пары. Это обеспечит согласование не только по дифференциальной, но и по синфазной составляющей сигнала.


Бесконечная емкость будет бесконечно близка к тому, чтобы пропускать постоянную составляющую, то есть будет эквивалентна короткому замыканию. Бесконечно близко сдвинутые опорные слои фактически станут одним слоем. Вот только бесконечно приблизить ничего не получится из-за конечной точности изготовления, которая на сегодняшний день для ПП в лучшем случае составит десятки микрон, на сколько мне известно. так что и емкость будет вполне себе конечная.

Вот файлик со статейкой.


По ВЧ сопротивление нагрузки есть всегда, как и по постоянному току (вход приемника), вопрос в его величине. Для высокоскоростных сигналов это волновое сопротивление линии.


Весьма ээээээ.... плохо передаются (если опустить более подходящее, но нецензурное определение для такого случая). Возвратный ток всё одно себе дорожку протопчет, хоть и окольными путями. Я ведь не утверждал, что сей ток распространяется исключительно и только по земляному полигону, нужен ОПОРНЫЙ слой с ПОСТОЯННЫМ потенциалом (речь ведь идет о ВЧ токах).

Думаю, после поста ATname вопрос наличия или отсутствия возвратного тока под диф.линией можно закрыть. Что происходит при разрыве опорного слоя доходчиво объяснил товарищ Джонсон. Мне остается непонятным, изменится ли ситуация, если проводники линии с одной и другой стороны от разрыва соединить через ВЧ-трансформатор (типа как на рисунке). Какова должна быть правильная схема включения, нужны ли конденсаторы, чтобы не замкнуть выходы драйвера по постоянке и т.д.

Обратите внимание, что там показана обобщенная диф. линия передачи. Не LVDS - нагрузки дифференциальной нет, естественно, обе линии ведут себя как single-ended (и возвратные токи текут исключительно по земле).

 

У вас есть EIA/TIA 644 стандарт? Не поделитесь? 

Как раз на ней и показана токовая суть драйвера. То, что еще есть последовательное выходное сопротивление - так оно всегда есть. Вопрос лишь только, какое оно по величине. 

И вообще, почему же тогда в разных местах пишут подобные вещи: "LVDS uses a constant current mode driver to obtain its many features..." (AN-971 от NS, стр 2)?

Ну, скорее 1,75 ГГц. Только вот такие частоты, вроде как, несколько перебор именно для LVDS - для него нормой было порядка сотен мегагерц. Причем, это скорее несущая, нежели полоса. Хотя в данном случае это не важно. 



Зависит от конструкции ПП. Без конкретных значений утверждать что-либо преждевременно.


Весьма, так сказать, попсовая статейка: "...мы, эта, вот намеряли, что 90%.., а там вот получается, что всего 10%...". Никакой конкретики. Для каких частот, какие размеры линий, какая зависимость от этих параметров?.. (Кстати, автор больше известен скандальностью, нежели глубиной технических проработок, хотя мне это все равно, если бы он там привел четкое техническое обоснование).


Ответьте, пожалуйста, на простые вопросы (я не стёба ради, я правда разобраться в вопросе хочу раз и навсегда). 

1. Ток, вытекающий из драйвера - он чему равен? 3.5 мА (номинально)? Или нет?
2. Ток, протекающий через нагрузку 100 Ом - он чему равен? Те же 3.5 мА? Или нет? Если нет, то каков размах сигнала на нагрузке - есть там требуемые 350 мВ или нет?

Как же так? А вот у меня, как раз, именно такое применение - мне не по печатной плате LVDS сигналы надо гонять, а передать поток с одной платы на другую (кстати, я именно такой случай имел в виду, говоря, что возвратный ток течет по парной линии, а не печатную плату имел в виду - пост #4. Да, автор темы имел в виду именно ПП, это я упустил, каюсь). И та же NS позиционирует LVDS как вполне подходящий интерфейс для передачи сигнала по кабелю витой парой (аж длиной до 5 м, но мне столько не надо). И я не вижу никаких противоречий в том, что витая пара отлично подходит для передачи такого сигнала, при условии, что обеспечивает равномерное волновое сопротивление.  

А почему именно с постоянным потенциалом? Почему парная линия не годится в качестве опорного для диф. сигнала?

Именно время нарастания/спада фронтов сигнала (а не его частота) определяет уровень высоких гармоник. Чем круче фронт, тем большую полосу частот займет сигнал. Тем больше членов ряда Фурье понадобится для его аппроксимации, если угодно. Современные LVDS передатчики высокого уровня работают с фронтами в десятки пс. Спектры таких сигналов занимают полосу несколько ГГц. Именно поэтому встречаются чисто цифровые платы выполненные на высокочатотных материалах, типа Роджерса. FR4 на таких частотах уже не подходит.


Витая пара подходит для передачи дифференциальных сигналов, тут нечего спорить. За счет сильной емкостной связи между проводами пары возвратный (высокочастотный!) ток с провода 1 перетекает в провод 2, а возвратный ток с провода 2, такой же по амплитуде, но противоположный по направлению, перетекает в провод 1. Таким образом они компенсируют друг друга и ток между проводниками равен нулю. Обращаю ваше внимание, что я говорю именно о высокочастотных токах, образованных движением фронта сигнала от источника к приемнику.

Вот только в случае неидеальной симметричности (а в нашем мире нет ничего идеального), в линии возникнет высокочастотный синфазный сигнал, возвратный ток которого, как было сказано, протопчет себе дорожку. И в ваших интересах, чтобы эта дорожка образовывала как можно меньший по площади контур, иначе вы заполните помехами все и вся вокруг. Именно поэтому принято перед разъемами, выводящими сигналы за пределы платы, ставить в линию симметрирующие трансформаторы, уменьшающие высокочастотную составляющую синфазного сигнала. Именно поэтому существуют в природе экранированные витые пары, чтобы возвратный ток синфазного сигнала пошел по экрану, образуя тем самым минимально возможный контур. Почитайте литературу по высокоскоростной передачи цифровых данных, все давно исследовано и изложено.


Покажите общественности дифференциальную линию передачи реализованную на печатной плате, где бы печатные дорожки шли в одной плоскости, имели волновое сопротивление 100 Ом и при этом НЕ имели опорного слоя. Мне бы очень помогла такая линия!

Еще раз повторяю. У нас ВЧ сигнал, а не постоянный ток. У нас линия передачи обладает волновым сопротивлением. У нас ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ, а не два МГТФа и рубильник с батарейкой. Именно с этих позиций надо рассматривать передачу сигнала, учитывая все эффекты, присущие линии передачи. Если напряжение на передатчике скачкообразно изменяется от 1.2В до 1.4В на одном выходе и от 1.2 до 1 на другом, то этот скачек не сразу попадет на приемник. Фронт сигнала будет распространяться по микрополосковой линии, еще не зная, что на нагрузке он встретит своего комплиментарного брата близнеца.

По результатам обсуждения уже можно FAQ по SI написать

Все разжевали до мелочей, по несколько раз.

От себя еще раз акцентирую внимание на важном для понимания физики процесса моменте:
Возвратный ток начинает течь в момент изменения прямого сигнала, и вместе с прямым фронтом к нагрузке симметрично распространяется обратный фронт возвратного тока (по пути наименьшего импеданса). Эти процессы взаимосвязаны и идут параллельно (а не так: мол, пошел прямой ток, шел-шел, дошел до нагрузки и пошел обратно в виде тока возвратного )

И еще. Половинки диффпары на плате не обязаны идти близко и параллельно друг к другу, они могут быть хоть за километр, важно чтоб их импеданс и время распространения сигнала совпадали. Для диффпары A-B по второй половинке диффпары B идет не возвратный ток первой половинки, а независимый сигнал, который есть инверсией сигнала A. Приемник измеряет разность потенциалов между независимыми сигналами A и B

Я именно для фронта и посчитал. По эмпирической формуле f = 0.35/t. Для 200 пс фронта необходима будет как раз полоса 1.75 ГГц. Это грубое приближение, но на практике в большинстве случаев этого хватает.

Т.е. современные материнки по-вашему делают из роджерса? Или как там PCI-E живет? Два с половиной ГГц, как-никак. А сейчас новая спецификация еще в два раза быстрее. Как быть? Или все-таки на таких длинах линии (в пределах платы) не все так страшно, и на FR-4 тоже как-то добиваются результата?


Может, все-таки, не только емкостной но и индуктивной? 

Может, все же, не токи компенсируют друг друга, а магнитные поля от них (и результирующее магнитное поле равно нулю)?

Да, согласен. Только надо не забыть, где провести эту границу. А то вот у меня частота по LVDS порядка 300 МГц, длина передачи - 15 см (между платами). Есть мнение, что линией передачи надо считать такую, длина которой  соизмерима (есть еще мнение, что больше либо равна четверти длины волны сигнала) с длиной волны сигнала. Вот при 300 МГц длина волны составляет порядка 1 м, что много больше 15 см. Поэтому все эти волновые эффекты в такой линии проявляться практически не будут. Хотя частота не такая и маленькая.

 Да. Только устойчивость к магнитным помехам и проблемы из-за несимметричности не забудут себя проявить. 

 Пока задавал вопросы, уже сам понял. Ток течет всегда через волновое сопротивление линии. Не по плейну, не по парной линии, а по волновому сопротивлению. Волновое сопротивление определяется в каждом случае индивидуально. В моем случае кабеля оно определяется исключительно кабелем, поэтому у меня ток возвратный течет по парной линии. На печатной плате, где есть plane, волновое сопротивление определяется геометрией проводника, его расположением относительно плейна и парной линии, которые вносят свои составляющие в это волновое сопротивление. И то, какая часть возвратного тока потечет по плейну, а какая по парной линии - это определяется вкладом каждого из этих элементов конструкции в волновое сопротивление - где сопротивление меньше, там ток больше. А не какие-то мифические 90% или 10%. Все определяется конкретно конструктивными характеристиками и никак иначе. Без их определения все обсуждение есть просто беспредметный спор. 

Хочу выразить всем участникам дискуссии благодарность за терпение, сдержанность и желание помочь.