Дифференциальная линия без земляного полигона под ней Опции

[PCB-young]

Хочу внести для себя ясность в вопрос в котором я сильно плаваю. Допустим, есть диф.линия передачи на частотах около 50MHz, и делать под ней сплошной полигон земли я не хочу, надо ли мне пускать землю строго рядом с ЛП (по обе стороны на фиксированном расстоянии), или это не обязательно (земля пойдет окольными путями)? Надо ли учитывать возвратный ток, если диф. линия сильно связанная, и вообще, будет ли он?

И то же самое для случая 1-2GHz.

[Ariel]

возвратного тока у симметричной дифференциальной линии нет в принципе, независимо от степени связи ее проводников, потому что ток входит в один провод и такой же точно ток выходит из второго. Пример такой линии - кабель CAT5/6. Только вот как выбрать ширину проводников и расстояние между ними, я не знаю, потому что для всех известных мне калькуляторов предполагается наличие земляного полигона.

[Doomsday_machine]

PCB-young
Тыц

[_no cover_]

Есть такое понятие как волновое сопротивление и поэтому дифференциальная пара НЕ МОЖЕТ НЕ ИМЕТЬ ЗЕМЛИ. Есть определенное требование о расстоянии от дифпары до края полигона земли, на вскидку не скажу, там есть варианты - в инете можно найти.
А про импеданс могу предложить издание от IPC — Association Connecting Electronics Industries:

http://dcchapters.ipc.org/assets/phoenix/P...d_Impedance.pdf

[Ariel]

дифференциальная пара НЕ МОЖЕТ НЕ ИМЕТЬ ЗЕМЛИ

совершенно неправильное утверждение. Диф. пару можно рассматривать как два раздельных проводника и земляной полигон напротив них. Предположим что по первому проводника в какой то момент времени ток положительный, тогда по этой земле возвращается такой же ток, только отрицательный. А по второму проводнику ток, соответственно, отрицательный, и по этой же земле возвращается положительный. Получается что через ту же самую земляную площадку проходят два одинаковых разнонаправленных тока, которые как бы взаимно компенсируются, и выходит что земля не нужна вовсе, раз ток по ней не протекает.

Есть такое понятие как волновое сопротивление

волновым сопротивлением обладает любой проводник, если у него есть индуктивность и емкость. Причем емкость может быть не только относительно земли, но и относительно других рядом расположенных проводников.

[PCB-young]

PCB-young
Тыц

Хорошая тема, спасибо. Но мой вопрос там не достаточно раскрыт, по крайней мере, ясности нет.
Еще раз, если я не буду делать плейн под сильно связанной диф ЛП, что произойдет? Потечет ли возвратный ток через землю там где она есть, и какая часть тока так потечет? Или может ЛП будет шуметь, как антенна передатчика. Или все-же как-то тихо мирно все что надо протечет по паре?

[VladimirB]

возвратного тока у симметричной дифференциальной линии нет в принципе, независимо от степени связи ее проводников, потому что ток входит в один провод и такой же точно ток выходит из второго. Пример такой линии - кабель CAT5/6...
...проходят два одинаковых разнонаправленных тока, которые как бы взаимно компенсируются, и выходит что земля не нужна вовсе, раз ток по ней не протекает...

Да земля вроде бы и "не нужна"
Только любое нарушение симметрии приводит к возникновению тока по земле, и ,соответственно, наводкам и помехам если её нет, и току нужно идти в обход. А абсолютно симметричных драйверов не существует - у того же LVDS допускается разбаланс до 1/16 по амплитуде. У ЭСЛ всё ещё хуже. Или вы предлагаете ставить Balun'ы на все пары как в Ethernet .

Второй момент: для достижения волнового сопротивления в 100 Ом при удалённой на большое расстояние земле, polar мне предложил сдвинуть проводники на расстояние 70микрометров - не всякий китаец за чашку риса сделает вам такую плату - возможно придётся поискать килобаксы.

Третий момент: толщина меди в наружных слоях является функцией времени выдержки китайцами платы в ванной с реактивами при металлизации отверстий. Поэтому получить волновое сопротивление с точностью скажем 20% при связи проводников только по боковой поверхности очень тяжело. Или опять надо заплатить китайцам килобаксы, чтобы они контролировали время выдержки и волновое сопротивление.

[ViKo]

Да земля вроде бы и "не нужна"
Только любое нарушение симметрии приводит к возникновению тока по земле

Полностью согласен по всем пунктам.
Что это - polar? Поделитесь инструментами для расчета волнового сопротивления, если они не очень много весят.

[Uree]

Не ведитесь. Земля нужна, независимо от того single-ended line или diff pair. Разница в наводках, в излучениях и т.п., но принципиально процесс передачи не меняется, он точно так же "опирается" на землю. Когда она не нужна - в случае токовой петли. Но таких интерфейсов еще поискать нужно(например CML в гигабитных интерфейсах)... Но если используется интерфейс опирающийся на напряжения - нужна земля, по которой будет течь возвратный ток.
А вот здесь разрисовано почему нужен плэйн: http://www.google.com/url?sa=t&source=...tGA&cad=rja

[ViKo]

Не ведитесь. Земля нужна, независимо от того single-ended line или diff pair.

А с вами - не согласен.
И в той теме, что на Тыц, об этом говорено. Можно передать LVDS без земли под нею. Прямой и обратный ток побегут по паре проводов. Но для выравнивания потенциалов оба конца, естественно, должны иметь общую землю. Земли этих двух сторон можно хоть через дроссель соединить, и идеальная LVDS будет работать. Если же разводка неидеальная, и есть земля под дифпарой, любые нарушения симметрии будут проводить к возникновению токов по земле. Так что земля не обязательна, но желательна.
P.S. Считайте, что LVDS - высокочастотная токовая петля.
P.P.S. Правда, здесь не говорится об LVDS, это меня Тыц-тема сбила.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Uree]

"Even if the differential signals are exactly equal and opposite, so that there is no return current through the power system, there will still be an induced current flowing in a closed loop on the plane under the traces."
Differential Signals
Rules to Live By Douglas Brooks

Т.е. как бы идеальны не были трассы, а наведенные токи в плэйн-слое будут. Сделаем там разрывы или другие неравномерности - внесем эти неравномерности в линии передачи - получим отражения - похерим качество сигнала, вплоть до невозможности работы линии передачи. Не согласны - можете делать платы не соблюдая всего этого. Только выложите тогда результаты измерений сигналов в линии и излучений в пространстве в диапазоне хотя бы до 3ГГц сюда, обсудим.

ЗЫ А тут Ваш случай не обязательной земли: http://www.signalintegrity.com/Pubs/edn/diffuturn.htm Поэтому да, делать можно, но - "Ты видишь грабли? Нет? А они есть"

[Ant_m]

To ViKo Polar - _http://www.polarinstruments.com - Есть в секретном файлохранилище
Есть еще бесплатный Saturn Pcb, но его возможности поменьше чем у полара. Зато free!

Про земли: я вот тоже считаю в идеале она не нужна. Но на плате ее приходится применять вместе с дифф. парами из-за того что нужно обеспечить нужный импеданс единичного проводника(собственно выше до меня кто-то это говорил). Иначе, без земли, размеры пары будут просто огромными. Ну и еще земля, конечно, нужна как экран от помех на плате, наводимых соседними проводниками (в том числе на других слоях).

[Ariel]

разрыв под дифференциальной линией - делали. Цель разрыва - отделить сигнальную GND от щасси GND.
Качество сигнала (HDMI1.3) - проверяли осциллографом.
Излучение - проверяли спектроанализатором в Институте стандартов. Соответствует FCC Class B.

[ViKo]

Т.е. как бы идеальны не были трассы, а наведенные токи в плэйн-слое будут.

Идеальная LVDS без слоя земли будет работать.
Дифференциальные линии бывают разные. Например, я передаю дифференциальные сигналы с ОУ с дифференциальными выходами на АЦП с дифференциальными входами. Там возвратные токи для каждого из сигналов текут по земле. И от ее качества однозначно зависит качество передачи сигнала. (Хотя, и там, возможно, возвратные токи компенсируются? - опять же - в идеальном случае)
Плат без слоя земли, независимо от цепей, которые по ней проходят, не делаю.

для Ant_m
Спасибо, попробую.

[PCB-young]

"Even if the differential signals are exactly equal and opposite, so that there is no return current through the power system, there will still be an induced current flowing in a closed loop on the plane under the traces."
Differential Signals
Rules to Live By Douglas Brooks

Т.е. как бы идеальны не были трассы, а наведенные токи в плэйн-слое будут. Сделаем там разрывы или другие неравномерности - внесем эти неравномерности в линии передачи - получим отражения...

Uree, к чему приводят неравномерности волнового сопротивления линии я представляю, я хотел прояснить для себя другое, что будет, если земля будет проходить на значительном расстоянии от диф. пары. Ведь при этом нельзя говорить о значительных различиях волнового сопротивления на участках линии передачи, т.к. поле на сравнительно больших расстояниях не имеет сильной связи с землей. Я это представляю себе как-то так.

И еще,если в Polarе посчитать импеданс микрополоска с расстоянием до плейна порядка 5мм, то для 200мм показания изменятся не сильно. Очень красноречиво, я считаю.

[ViKo]

http://www.national.com/assets/en/appnotes...dition_2008.pdf
Во второй редакции этого документа были следующие слова.

Since LVDS is differential, the signal current that flows in one conductor of a pair will flow back through
the other conductor, completing the current loop. This is ideal, because the current return antenna loop
area is minimized since the traces of a pair are closely spaced. Real signals, however, will have some
common-mode noise current which must return also. This common-mode current will be capacitively
coupled to ground and return to the driver through the path of least impedance. Therefore, a short
ground current return path is needed between the driver and receiver in differential systems.
On PCBs, the best current return path is a uniform, unbroken ground plane beneath the LVDS signals.
The ground plane will allow the common-mode (even mode) current to return directly under the LVDS
signals. This closely coupled path is the path of least impedance and means that the current loop area is
minimized.

А в 4-й я этого не нашел.

[VladimirB]

Uree, к чему приводят неравномерности волнового сопротивления линии я представляю, я хотел прояснить для себя другое, что будет, если земля будет проходить на значительном расстоянии от диф. пары. Ведь при этом нельзя говорить о значительных различиях волнового сопротивления на участках линии передачи, т.к. поле на сравнительно больших расстояниях не имеет сильной связи с землей. Я это представляю себе как-то так.
И еще,если в Polarе посчитать импеданс микрополоска с расстоянием до плейна порядка 5мм, то для 200мм показания изменятся не сильно. Очень красноречиво, я считаю.

Обобщу немного:

1) если вам по-барабану на то что возвратные токи из-за неидентичности в паре потекут окольными путями, излучая и наводясь на другие части схемы - то делайте пару без земли.
2) если у вас имеется высокочувствительная прецензионная аналоговая часть на плате или много гигагерцев в линии - то так лучше не делать

[PCB-young]

Обобщу немного:

1) если вам по-барабану на то что возвратные токи из-за неидентичности в паре потекут окольными путями, излучая и наводясь на другие части схемы - то делайте пару без земли.
2) если у вас имеется высокочувствительная прецензионная аналоговая часть на плате или много гигагерцев в линии - то так лучше не делать

Ладно, течет так течет. Спасибо.



Уже немного оффтоп, но задам вопрос здесь - как рассчитать параметры линии в случае, скажем односторонней платы? Землю я буду пускать с обеих сторон от пары. Мой калькулятор не имеет такой модели, но этот вариант имеет право на жизнь.

Сообщение отредактировал PCB-young - Jun 10 2011, 12:20

[Uree]

Земля есть, ее не может не быть. Укажите расстояние 1метр, как если бы плата лежит на столе над землей. Результаты будут близкие.

[PCB-young]

Земля есть, ее не может не быть. Укажите расстояние 1метр, как если бы плата лежит на столе над землей. Результаты будут близкие.

Нет, я не об этом. Для получения нужного импеданса при приемлемых параметрах проводников я предполагаю землю располагать рядом с диф. парой. Есть основания думать, что это позволит снизить импеданс. А вот насколько - надо как-то считать, в этом и состоит вопрос.

[Doomsday_machine]

PCB-young
Что за калькулятор? Попробуйте Polar Si9000, шаблон Diff Surface Coplanar Waveguide.

[Uree]

Не видел калькуляторов, которые считают импеданс ТОЛЬКО для земли по бокам трасс, обязательно нужна земля _под_ парой. Вот чтобы минимизировать ее влияние и писал - задать расстояние до нее в 1 метр. После этого подбирать параметры пары и расстояние до земли по бокам от нее.

[Ariel]

вот ссылка на пример диф. пары без GND
а вот статья, рекомендующая убрать все слои между конектором и трансформатором.

Прикрепленные файлы

 micrel_ETH.pdf ( 315.14 килобайт ) Кол-во скачиваний: 78

 

[_no cover_]

Для получения нужного импеданса при приемлемых параметрах проводников я предполагаю землю располагать рядом с диф. парой.

На прямом участке должно получиться. Лучший калькулятор в данном случае будет от Polar.

[packages2011]

Помимо Polar.Instruments.SI8000 & SI9000 хорошо еще воспользоваться Atlas Si. Все таки разводка LVDS на односторонней плате вещь оригинальная...

[VladimirB]

вот ссылка на пример диф. пары без GND
а вот статья, рекомендующая убрать все слои между конектором и трансформатором.

Ну дык это и ежу понятно, что если в кабеле Ethernet нет земли, то и на плате после трансформаторов её быть не должно - иначе будет разрыв и скачок волнового сопротивления. И кстати в 1G Ethernet к трансформаторам ещё балуны ставят для симметрирования и подавления синфазной составляющей из-за отсутствия земли в кабеле.

Но если например у меня например АЦП ADC083000 с 32 LVDS, то ставить на каждую пару по балуну слишком накладно будет - проще ещё слой с землёй добавить.

[Ariel]

[/quote]

если в кабеле Ethernet нет земли, то и на плате после трансформаторов её быть не должно - иначе будет разрыв и скачок волнового сопротивления

А если тот же самый кабель Ethernet подключен ко входу дифференциального усилителя без трансформатора, то применение дифпары с землей приведет к "скачку волнового сопротивления"???

[_no cover_]

Интересно, как в однослойной плате обеспечить хорошую связь между полигонами земли по обе стороны дифпар? Т.е. лини будут максимально короткими, в т.ч. и прямыми, и как результат можно вообще от них отказаться, расположив источник и приемник максимально близко друг к другу.
Резюме: на односторонней плате LVDS не пройдет.

[cioma]

Опять все в кучу намешали
Вот пара мыслей для понимания сути процессов:

1. Ток течет по замкнутому контуру. Т.е. какая бы у Вас конфигурация линии передачи не была, электромагнитная волна всегда найдет путь в источнику. Пусть хоть через эфир и Землю.
2. Ток течет по пути наименьшего импеданса. Т.к. цифровые сигналы имеют широкий спектр, то как правило для плат и кабелей это сводится к пути с наименьшей индуктивностью.
3. Индуктивность замкнутого контура уменьшается с уменьшением его площади.
4. Линии передачи (e.g. UTP) и стандарт передачи (e.g. LVDS) вещи независимые. Т.е. LVDS можно передать как по микрополоску на плате с опорным слоем земли, так и по витой паре, в которой земли как таковой нет.

Витая пара потому так и называется что вследствие скрутки с определенным шагом оба проводника становятся сильносвязанными как индуктивно так и емкостно. Т.е. для возвратного тока по проводнику DP путь с наименьшим импедансом будет по проводнику DN (и наоборот). А вот для микрополоска в общем случае большая часть возвратного тока будет идти по земляному слою под проводником. Потому в принципе на платах можно разносить половинки дифпары хоть на километры - все будет работать если обеспечены одинаковые задержки сигнала и нет неоднородностей в линиях. Вот только в реальности обеспечить это трудно и легче вести обе половинки рядом, чтобы все неоднородности влияли на них одинаково.

[Aner]

... Потому в принципе на платах можно разносить половинки дифпары хоть на километры - все будет работать если обеспечены одинаковые задержки сигнала и нет неоднородностей в линиях. Вот только в реальности обеспечить это трудно и легче вести обе половинки рядом, чтобы все неоднородности влияли на них одинаково.

Насмотрелся я на платы от белорусских производителей сат. тюнеров, кошмар, BGA на двух слойке и под LVDS нет земли.
Забываете однако о наводках на LVDS, помехах синфазных и др. от внешних схем, имп. истичниках и тп.
Получается разносить то нельзя. Земля (кроме обеспечения возвратных токов, которые тоже не должны иметь разную длину, иначе задержки, проблемы с фронтами итд)
к тому же экранирует и обеспечивает защиту от внешних помех. Что также важно. Вообщем делайте LVDS по стандарту в 4 слоях и не мучайтесь.

вот ссылка на пример диф. пары без GND
а вот статья, рекомендующая убрать все слои между конектором и трансформатором.

Тут другая ситуация, требуется обеспечить минимальный уровень шума и помех, чтобы обеспечить стабильную скорость передачи.

[cioma]

Насмотрелся я на платы от белорусских производителей сат. тюнеров, кошмар, BGA на двух слойке и под LVDS нет земли.

Это не я был, честно-честно
Кстати, а чей девайс был?

Забываете однако о наводках на LVDS, помехах синфазных и др. от внешних схем, имп. истичниках и тп.
Получается разносить то нельзя. Земля (кроме обеспечения возвратных токов, которые тоже не должны иметь разную длину, иначе задержки, проблемы с фронтами итд) к тому же экранирует и обеспечивает защиту от внешних помех.

Ну так о том и речь, что теоретически половинки диффпары можно разводить независимо. Но практически это выливается в кучу проблем, напрямую с дифференциальным способом передачи не связанных, которые автоматически решаются если вести пару связанно.