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差分对布线

Differential Pair Routing(差分对布线)
差分信号系统是采用双绞线进行信号传输的,双绞线中的一条信号线传送原信号,另一条传送的是与原信号反相的信号。差 分信号是为了解决信号源和负载之间没有良好的参考地连接而采用的方法,它对电子产品的干扰起到固有的抑制作用。差分信号的 另一个优点是它能减小信号线对外产生的电磁干扰(EMI)。 差分对布线是一项要求在印刷电路板上创建利于差分信号(对等和反相的信号)平衡的传输系统的技术。差分线路一般与外 部的差分信号系统相连接,如连接器或电缆。 需要注意的是在一对差分双绞线上耦合系数最好能大于 90%,但在实际差分线路上一般耦合系数均小于 50%。现在专家的 意见是 PCB 布线的任务并不是使指定的差分阻抗能达到指标要求,而是使差分信号经过外部的电缆传送后到达目标器件仍能保持 良好的信号质量。 着名的工业高速 PCB 设计专家 Lee Ritchey 指出成功的差分信号线路设计并不要求达到指定的差分阻抗, 而是要达到以下几 点要求: 让每条线路的信号阻抗是输入的差分电缆阻抗的一半 在接收端使两条线路都分别达到各自的特征阻抗 两条差分信号线要等长,使其能在逻辑器件的容限范围内。一般差分信号线长度之差在 500mil 内是可以接受的 布线时让差分线路边接边一同走线,使得即使绕过障碍时也能保证长度能相互匹配 差分线路在能保证信号阻抗下可以切换板层进行布线 更多信息参见:http://www.speedingedge.com/RelatedArticles.htm

1. 在原理图中定义差分对
在菜单中 Place>>Directive 为差分网络放置差分对指令。差分对网络名称必须以“_N”和“_P”作为后辍。对差分网络放置指 令后要对其参数进行配置,包括 DifferentialPair 名称以及 True 参数。 在设计同步的时候,差分对将从原理图转换到 PCB 中。

2. 在 PCB 中查看和管理差分对
在 PCB 面板的下拉列表中选择“Differential Pairs Editor”后可以查看和管理已定义的差分对。图 15-31 所示的差分对属于 全局的差分对类,当前 V_RX0 高亮显示,V_RX0_N 和 V_RX0_P 组成差分对, “-”和“+”是系统的标志,指示了差分对的正 负极性。

3. 在 PCB 中定义差分对

用户不但可以在原理图中定义差分对,同样可以在 PCB 编辑器中定义差分对。 在 PCB 面板中选择 Differential Pairs Editor 模式并点击 Add 按钮。在弹出的 Differential Pair 对话框中,在现有的网络 中选择正极和负极网络,并对差分对进行命名后点击 OK。

同样可以通过网络名称进行差分对的定义,对于一个差分对,其名称有相同的前辍,并以不同的后辍作区分,如 TX0_P 或 TX0_N。在 PCB 面板中点击 Create From Nets 按钮打开 Create Differential Pairs From Nets 对话框。在对话框顶部使用过 滤器从现存的网络中筛选出差分对。如图所示为对电路板上以“_P”或“_N”结尾的网络名称进行筛选。

4. 适用的设计规则
对差分对进行布线,必先在 PCB Rules 和 Constraints Editor 对话框(在 Design>>Rules 中调出)中的三项设计规则进行配 置,分别是: Routing Width - 定义了差分对线路的宽度,线路宽度可以是实际的物理宽度或根据用户定义的特征阻抗自动计 算而得。把规则的范围设置到差分对的目标器件上,如*InDifferentialPair*。 Differential Pairs Routing - 定义了差分网络线路的间距和解耦合长度(当间隔宽度大于 Max Gap 的设置值 时成对的走线将失去耦合) 。把规则的范围设置到差分对的目标器件上,如*IsDifferentialPair*。 Electrical Clearance - 定义了各个器件包括相同的网络和不同的网络(焊盘与焊盘间,焊盘与线路间)的间距。 把规则的范围设置到差分对的目标器件上,如*InDifferentialPair*。 差分对线路的长度可以通过 Interactive Diff Pair Length Tuning(在 Tools 菜单中)功能进行调整。该功能可以对差分对线路 的期望长度和容限值进行实时调整,并具有不同的选项通过增加各种起伏的波纹状线路调节网络线路长度。

5. 设置设计规则范围
设计规则的辖域定义了规则所作用的范围。差分对可以通过如下的检索条件例子对设计规则的辖域进行定义。 InDifferentialPairClass('All Differential Pairs') - 所有的成对网络都属于差分对类“All Differential Pairs”。 InDifferentialPair('D_V_TX1') -* 定义差分对名称为“D_V_TX1”中的两个网络。 (IsDifferentialPair And (Name = 'D_V_TX1')) - 定义网络名称为“D_V_TX1”的差分对。 (IsDifferentialPair And (Name Like 'D')) -* 定义所有网络名以字母“D”开头的差分对。

6. 使用差分对向导定义规则
在 PCB 面板差分对编辑器中点击 Rule Wizard 按钮可通过向导的形式对设计规则进行设置。注意在此创建的规则的辖域是在 点击 Rule Wizard 按钮前所选中的对象, 如果一对差分对被选中, 则设计规则的辖域是一对差分对, 如果是一个差分对的类被选中, 设计规则的辖域就是该差分对的类。

7. 差分对布线
差分对布线是一对进行的,也就是对两个网络同时布线。对差分对进行布线,可从菜单中选取 Place ? Differential Pair Routing 或通过鼠标右键菜单调出差分对布线工具。此时将提示用户选取布线对象,点击差分对的任意一个网络开始布线。下图 所示为差分对布线。 差分对布线中使用的是遇到第一个障碍停止或忽略障碍的交互式布线模式,使用 SHIFT+R 快捷键进行循环切换。差分对布 线和交互式布线有部分相同的快捷键。使用数字小键盘中的 * 键进行换层。按 5 快捷键来循环可能的过孔模式。按 Shift+F1 快捷键来显示所有可能的快捷键。

8. 包括管脚交换的 FPGA 设计中全面的差分对支持
现代的 FPGA, 即使在一些廉价的产品中也提供大量的管脚供用户配置成差分对。 为了便于设计工作的开展, Altium Designer 在 FPGA 和 PCB 设计中都对基于 FPGA 的差分对整合作全面的支持。 在 FPGA 设计中,可以把单一的网络定义到差分 I/O 上,如 LVDS 标准,这样软件就会把一对物理网络映射到 PCB 设计中。 这个过程用户可以通过 FPGA Signal Manager 进行控制。设计编译器同样可以确定管脚是否在 PCB 设计中用作差分对并正确映 射到 FPGA 器件中。

9. 差分对中对信号完整性的支持
Altium Designer 的信号完整性分析提供对差分对仿真的全面支持。在 FPGA 管脚中使用 LVDS 标准能确保运用正确的信号完 整性模型。

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