Если Вы разрабатываете высокоскоростную плату, работающую с современными мощными технологиями наподобие HDMI, USB3.0, Ethernet или DDR, то необходимо тщательно формировать трассы, по которым распространяются высокочастотные сигналы. Если не уделить этому вопросу достаточно внимания, то могут возникнуть дополнительные проблемы, связанные с шумом и электромагнитными помехами (EMI). Что можно сделать для решения этих проблем? Если у Вас есть множество сигналов на плате, генерирующих шум, то необходимо защищать чувствительные сигнальные цепи с помощью так называемых дифференциальных пар.

На диаграмме ниже показан пример дифференциальной передачи сигнала. Такая передача состоит из двух сигналов каждый из которых инвертирован друг относительно друга. Информацию переносят не физические уровни на этих сигналах относительно общего провода, а их различие друг от друга (отсюда и называние "дифференциальный сигнал" от слова difference, что в переводе с английского означает "различие, разность"). Если оба этих сигнала физически распространяются одинаково (проводники находятся близко друг к другу и их длины одинаковы), то сигнал помехи одинаково наводится на оба сигнала. В конечной точке приемника эта наводка компенсируется и уничтожается, потому что помеха оказывается синфазной на обоих линиях дифференциальной пары, а сигнал передается противофазными уровнями. Один из сигналов пары называют отрицательным, другой положительным.

Таким образом, дифференциальная пара для сигнала дает нам следующие преимущества:

Изоляция по помехам от систем питания. Дифференциальные сигналы не используют для передачи информации общий провод (GND), поэтому не нужно беспокоиться о переходах сигнала через границы различных доменов питания.

Снижение наводок, электромагнитных помех. Сильно связанные дифференциальные сигналы в паре хорошо защищены от внешних электромагнитных помех, и сами также меньше их излучают.

Точный учет времени распространения. В любой момент времени намного проще определить логическое состояние передаваемого уровня сигнала дифференциальной пары. Если отрицательный сигнал пары имеет уровень выше, чем положительный, то пара передает сигнал лог. уровня 0.

Хотя дифференциальные пары имеют многие преимущества по защите от электромагнитных помех и шума, они также имеют определенные правила дизайна, соблюдению которых Вам нужно уделить внимания. Эти правила включают следующее:

Правило 1 – сохранение одинаковой длины проводников сигнала в паре. Дифференциальная пара получает свои выгоды только тогда, когда сигналы в ней имеют одинаковые, сбалансированные параметры.

Правило 2 – разводка сигналов дифференциальной пары сигналов как можно ближе друг к другу. Чем ближе друг к другу будут сигналы дифференциальной пары, тем меньше они будут излучать (и принимать) помехи на плате.

Правило 3 – определение волнового сопротивления (импеданса). Необходимо всегда поддерживать постоянный импеданс дифференциальной пары по всей её длине. Это будет зависеть от ширины проводников, толщины меди и от материалов изоляторов стека слоев.

Здесь не приведены более четкие и быстрые правила разработки кроме тех, что приведены в общих чертах выше. Почему? Причина в том, что ограничения на Вашу дифференциальную пару в большей степени зависят от уникальной композиции конкретного дизайна. Здесь будет описана только трассировка дифференциальной пары в Eagle, однако определение подробностей в правилах дизайна лежит на Вас. Процесс прокладки дифференциальной пары в Autodesk EAGLE по шагам:

Шаг 1 – определите класс цепи (Net Class) для дифференциальной пары. В этом классе задайте ширину проводников и зазор для сигналов дифференциальной пары.

Хорошая практика - создать для проводников цепи отдельный класс, что удобно для управления шириной проводников, зазорами, параметрами переходных отверстий. Класс создается следующим образом: в редакторе печатной платы, где открыт файл разводки платы (файл с расширением .brd), выберите пункт меню Edit -> Net classes..., откроется диалог для редактирования классов цепей (Net classes). Определите имя для нового класса, после чего задайте ширину проводников (width). В примере ниже класс получил имя "diff pairs" и значение width задано 16 mil.

После того, как параметры класса отредактированы, кликните OK для сохранения только что созданного класса цепи.

Шаг 2 – определение имен для сигналов дифференциальной пары (Net Name). Нужно поменять имена цепей сигналов в дифференциальной паре таким образом, чтобы редактор печатной платы Autodesk EAGLE распознал их как дифференциальную пару. Это важный шаг, и правила определения для имен сигналов дифференциальной пары следующие: имена цепей сигналов должны быть одинаковые, кроме суффикса. Положительный сигнал имеет суффикс "_P" в конце имени. Отрицательный сигнал соответственно должен иметь суффикс "_N".

Имена цепей изменяются стандартным образом. Кликните на кнопку Name на панели инструментов, после чего кликните на цепь, у которой нужно поменять имя. Откроется маленькое окно диалога редактирования имени, введите в поле текста "New name:" имя цепи с суффиксом _P. Кликните OK для подтверждения.

Повторите эту процедуру для второй половины дифференциальной пары, только добавьте в конце имени суффикс _N. В нашем примере сигналам даны имена DIFF_P и DIFF_N. Обратите внимание, что имена до суффиксов одинаковые, различаются имена сигналов только определенными суффиксами. После этого Autodesk EAGLE может распознать обозначенные сигналы как дифференциальную пару.

Шаг 3 – применить созданный на шаге 1 класс цепи к сигналам дифференциальной пары.

Выберите инструмент Info, который позволяет просматривать и редактировать свойства объектов дизайна. Кликните на любой из сигналов дифференциальной пары, откроется диалог его свойств "Properties". В выпадающем списке "Net Class" выберите класс, который был создан на шаге 1. Кликните OK для подтверждение. То же самое проделайте и для другого сигнала пары.

Шаг 4 – прокладка дифференциальной пары.

Прокладка дифференциальной пары осуществляется инструментом Route, тем же самым, что используется для прокладки обычных цепей. Выберите инструмент Route, кликните на любой из сигналов дифференциальной пары. После этого будет осуществляться трассировка не одного, а сразу двух сигналов. Проложите трассу дифференциальной пары от начала до конца. По достижении конечной точки кликом на левую кнопку мыши завершите соединение пары.

Замечание: если по какой-то причине нужно трассировать только один сигнал в дифференциальной паре вместо двух, после выбора сигнала кликните на кнопку ESC.

Если в процессе разводки Вы меняете слой, то переходные отверстия для обоих цепей будут устанавливаться автоматически. В прокладке дифференциальной пары не действуют специальные функции мыши и клавиш Shift+Left (поместить переходное отверстие в конечной точке) и Ctrl+Left (определение радиуса дуги). Когда Вы начинаете разводку в любой точке сигнала (через Ctrl+Left), то можно разводить только выбранный сигнал из дифференциальной пары, но не саму дифференциальную пару. Дифференциальные пары можно разводить только вручную, автороутер разводит сигналы дифференциальной пары так же, как и обычные цепи.

Командой MEANDER можно сбалансировать длины двух сигналов дифференциальной пары.

[Ссылки]

1. How to Route Differential Pairs in Autodesk EAGLE site:autodesk.com.
2. Трассировка сигналов в Eagle.