Дифференциальные пары

USB, Ethernet, HDMI, CAN, RS-485 — почти все быстрые и «дальнобойные» интерфейсы передают данные не одним проводом относительно земли, а парой проводов. Это дифференциальная передача (differential signaling). В проекте 11.2 тебе придётся развести пару USB D+/D−, поэтому разберёмся, что от неё требуется.

Как работает дифференциальный сигнал

По двум дорожкам идут противоположные сигналы: когда на D+ напряжение растёт, на D− — падает. Приёмник смотрит только на разность D+ − D−.

Что это даёт:

• Устойчивость к помехам. Помеха, наведённая снаружи, попадает на обе дорожки почти одинаково (это синфазная помеха). При вычитании она пропадает.
• Меньше излучения. Токи в дорожках равны и противоположны, их поля снаружи почти компенсируют друг друга.
• Не нужна идеальная общая земля между передатчиком и приёмником — важна разность, а не уровень относительно земли.

Аналогия: два человека несут носилки по неровной дороге. Если оба одновременно подпрыгнули на кочке, носилки остались ровными. Важно только, на сколько один выше другого.

Рис. 9.4. Дифференциальная пара: две одинаковые дорожки шириной w с зазором s над опорным слоем. Токи в них равны и противоположны (⊙ — к нам, ⊗ — от нас), поэтому поля почти компенсируют друг друга снаружи. Приёмник смотрит на разность напряжений D+ и D−, и помеха, одинаково наведённая на обе дорожки, вычитается.

📖Из учебникагл. 2, §2.18, с. 107

Хоровиц разбирает ту же идею на дифференциальном усилителе: полезный сигнал — разность двух входов, а одинаковое для обоих входов (синфазное) напряжение должно подавляться. Мера этого подавления — коэффициент ослабления синфазного сигнала. Дифференциальная линия на плате — продолжение той же мысли: приёмник интерфейса USB по сути и есть дифференциальный усилитель-компаратор.

Требования USB 2.0

Спецификация USB 2.0 задаёт для пары D+/D− дифференциальный импеданс 90 Ом с допуском ±15 %. Но насколько это критично, зависит от скорости:

Режим	Скорость	Что важно на плате
Low Speed	1,5 Мбит/с	почти ничего: фронты медленные
Full Speed	12 Мбит/с	короткая пара, дорожки рядом, без лишних переходных отверстий
High Speed	480 Мбит/с	контролируемые 90 Ом, согласование длин внутри пары, сплошной опорный слой

CH340C и ATmega с USB-мостом из проекта 11.2 работают в Full Speed. Фронты там по спецификации — единицы-десятки наносекунд, и при длине пары в несколько сантиметров она ведёт себя почти как обычные провода (урок 9.7). Поэтому на двухслойной плате достаточно короткой симметричной пары над сплошной землёй. Для High Speed (например, STM32 с USB HS-PHY) нужна четырёхслойка и расчёт импеданса.

Импеданс пары

Дифференциальный импеданс зависит от тех же w, h, εr, что и одиночный (урок 9.2), плюс от зазора s между дорожками. Чем ближе дорожки, тем сильнее связь и тем меньше дифференциальный импеданс.

Приближённая формула IPC-2141 для пары на внешнем слое:

Zdiff ≈ 2·Z₀·(1 − 0,48·e^(−0,96·s/h))

где Z₀ — импеданс одиночной дорожки той же ширины. Пример для стека с препрегом h = 0,2 мм (εr ≈ 4,3, медь 35 мкм):

w, мм	s, мм	Z₀, Ом	Zdiff, Ом
0,20	0,15	≈ 66	≈ 101
0,25	0,15	≈ 59	≈ 91
0,30	0,20	≈ 54	≈ 87

Пара 0,25 / 0,15 мм близка к 90 Ом. Как и в уроке 9.2, это оценка — рабочие значения бери из профиля импеданса Altium с реальным стеком производителя.

Пара в схеме

Чтобы Altium понял, что две цепи — пара:

1. Назови цепи с общим именем и суффиксами _P и _N: USB_D_P и USB_D_N. Суффиксы можно изменить в настройках проекта (раздел Diff Pairs на вкладке Options в Project›Project Options).
2. На каждую из двух цепей поставь директиву Place›Directives›Differential Pair. Из пары директив (положительной и отрицательной) на плате получится один объект «дифференциальная пара».
3. Если пар много, накрой их покрывалом (Blanket) и поставь одну директиву на край покрывала.
4. В директиве можно сразу указать класс цепей, класс пар и создать правило трассировки пары.

[СКРИНШОТ: Схема: цепи USB_D_P и USB_D_N с директивами Differential Pair]public/screenshots/m09-advanced/l05-diffpair-directive.png

🛠Особенность Altium

В проекте с Constraint Manager пары, классы и правила, заданные директивами, сами на плату не переносятся. Их импортируют в Constraint Manager: правый клик в представлении Physical или Electrical → Import from Directives. В проекте с классическим редактором правил всё переносится при обновлении платы.

Пара на плате

На плате пары видны в панели PCB в режиме Differential Pairs Editor. Там же их можно создать вручную:

• Add — выбрать две существующие цепи и назвать пару;
• Create From Nets — найти пары по именам с одинаковыми суффиксами;
• Rule Wizard — мастер, который создаёт правило трассировки пары (Differential Pairs Routing) и правило согласования длин (Matched Lengths).

Правило Differential Pairs Routing задаёт минимальную, предпочтительную и максимальную ширину и зазор пары. В нём можно включить использование профиля импеданса из Layer Stack Manager — тогда ширина и зазор подставятся из расчёта сами.

Трассировка пары

1. Запусти Route›Interactive Differential Pair Routing.
2. Щёлкни по площадке любой цепи пары — Altium поведёт сразу обе дорожки с заданным зазором.
3. Во время трассировки: 3 — перебор ширины из правила, Shift+6 — перебор зазора, Tab — свойства в панели Properties.
4. Веди пару одним «пучком» от разъёма до микросхемы.

[СКРИНШОТ: Интерактивная трассировка пары USB_D_P / USB_D_N от разъёма к микросхеме]public/screenshots/m09-advanced/l05-diffpair-routing.png

Правила хорошей пары

• Симметрия. Обе дорожки одной длины и формы. Изгибы — парами, переходные отверстия — парами и рядом.
• Постоянный зазор по всей длине. Расходиться можно только у самых выводов, коротко.
• Сплошной опорный слой под всей парой. Никаких разрезов полигона под ней.
• Подальше от соседей. Расстояние до других сигналов — заметно больше зазора внутри пары (часто говорят про несколько зазоров s или ширин w).
• Минимум переходных отверстий и никаких отводов-«хвостов» (stubs). ESD-защиту ставят прямо на пути пары, а не на отводе.

🧯 Типичные ошибки

Пара не трассируется как пара, Altium ведёт одну дорожку

Почему Цепи не объявлены парой: нет суффиксов _P/_N, нет директивы, или пара не перенесена на плату.

Как исправить Проверь имена цепей и директивы в схеме, обнови плату, загляни в панель PCB → Differential Pairs Editor.

D+ и D− перепутаны на разъёме USB

Почему Невнимательность при рисовании символа или посадочного места разъёма.

Как исправить Сверь распиновку символа и посадочного места разъёма с даташитом до заказа платы. Перепутанная пара не работает вообще.

Под парой проходит разрез полигона земли

Почему Обратный ток обходит разрез, контур растёт, пара излучает и ловит помехи.

Как исправить Сделай опорный слой под парой сплошным на всём её пути.

Проверь себя

1. 1. Почему дифференциальный сигнал устойчив к внешним помехам?

   Дорожки толщеПомеха наводится на обе дорожки почти одинаково и исчезает при вычитанииСигнал передаётся быстрее
2. 2. Какой дифференциальный импеданс требует спецификация USB 2.0 для пары D+/D−?

   50 Ом90 Ом100 Ом120 Ом
3. 3. Дорожки пары сдвинули ближе друг к другу. Как изменится дифференциальный импеданс?

   УвеличитсяУменьшитсяНе изменится
4. 4. Как Altium узнаёт, что цепи USB_D_P и USB_D_N — пара?

   По одинаковой длине дорожекПо суффиксам _P/_N и директиве Differential Pair (или по паре, созданной в панели PCB)Автоматически по цвету проводов

🎯Практическое задание~45 мин

1. Нарисуй в схеме разъём USB, ESD-защиту и микросхему USB-моста (например, CH340C) и объяви пару USB_D_P/USB_D_N директивами.
2. Обнови плату, найди пару в Differential Pairs Editor и создай правило через Rule Wizard.
3. Разведи пару на верхнем слое над сплошной землёй. Сделай скриншот и проверь по списку «правил хорошей пары» выше.