Concevoir des paires différentielles 100Ω pour USB, HDMI, Ethernet et PCIe. Calculer l'impédance en mode impair, le facteur de couplage et optimiser la géométrie des traces pour les interfaces série haute vitesse.
Microstrip différentiel couplé par bord
Comprendre la relation entre l'impédance asymétrique, en mode impair et différentielle
Impédance de chaque trace lorsque l'autre est à la masse (sans couplage)
Impédance de chaque trace en mode différentiel (P+, N-)
Impédance totale entre les traces P et N (la spécification que tout le monde utilise)
k = coefficient de couplage (0 à 1)
Zdiff ≈ 2 × Z₀ quand k → 0 (couplage lâche)
| Interface | Cible Zdiff | Débit de données | Notes |
|---|---|---|---|
| USB 2.0 | 90Ω ±15% | 480 Mbps | Souvent assoupli à 90Ω |
| USB 3.0/3.1 | 90Ω ±10% | 5/10 Gbps | Paires TX et RX |
| USB4 / TB3 | 85Ω ±10% | 40 Gbps | Décalage très strict |
| HDMI 1.4/2.0 | 100Ω ±15% | 10.2/18 Gbps | 4 paires TMDS |
| DisplayPort | 100Ω ±10% | 32.4 Gbps | HBR3 |
| PCIe Gen3 | 85Ω ±15% | 8 GT/s | Par voie |
| PCIe Gen4/5 | 85Ω ±10% | 16/32 GT/s | Tolérance stricte |
| Ethernet 1G | 100Ω ±10% | 1 Gbps | Compatible Cat5e |
| Ethernet 10G/25G | 100Ω ±10% | 10/25 Gbps | SFP+ / SFP28 |
| SATA III | 100Ω ±10% | 6 Gbps | TX et RX |
| DDR4/DDR5 | 80Ω ±10% | Variable | Paires DQ, DQS |
| LVDS | 100Ω ±10% | 655 Mbps | Panneaux d'affichage |
Faire correspondre les longueurs des traces P et N dans chaque paire :
Maintenir un S (écart) constant sur toute la longueur :
Un plan de masse continu est essentiel :
Optimiser le couplage pour de meilleures performances :
Minimiser la discontinuité d'impédance aux vias :
Concevoir pour la vérification TDR :
Le plus courant pour USB, HDMI, Ethernet, PCIe
Utilisé dans les sorties BGA denses, circuits flexibles
Z₀ est l'impédance caractéristique asymétrique. Zodd (impédance mode impair) est l'impédance vue par chaque trace en mode différentiel. Zdiff (impédance différentielle) = 2 × Zodd. En raison du couplage mutuel, Zodd < Z₀, typiquement Zodd ≈ 0.7 × Z₀ pour les paires étroitement couplées, donnant Zdiff ≈ 1.4 × Z₀.
100Ω différentiel est devenu la norme car il est facilement réalisable avec des géométries PCB courantes et fonctionne bien avec les CI de pilotes différentiels. La plupart des interfaces haute vitesse (USB, HDMI, DisplayPort, Ethernet, PCIe) spécifient 100Ω ±10%. Certaines interfaces héritées utilisent 90Ω (LVDS) ou 85Ω.
Les paires couplées par bord fonctionnent côte à côte sur la même couche, couplées par l'écart entre elles. Les paires couplées larges sont empilées verticalement sur des couches adjacentes. Le couplage par bord est plus courant et plus facile à router ; le couplage large est utilisé lorsque l'espace horizontal est limité mais nécessite un alignement de couche plus précis.
Un espacement plus serré (rapport S/W plus petit) augmente le couplage et réduit Zdiff. Pour des cibles 100Ω, S ≈ W est courant (rapport 1:1). Trop serré (S < W) peut causer des problèmes de fabrication et un couplage excessif. Trop lâche (S > 3W) offre un bénéfice différentiel minimal. La règle 3W pour l'isolation ne s'applique pas aux paires différentielles intentionnelles.
La signalisation différentielle réduit significativement les EMI car les champs des traces P et N s'annulent partiellement. Cependant, cela ne fonctionne que si la paire est symétrique (longueur, espacement et timing égaux). Le décalage entre P et N convertit le signal différentiel en mode commun, qui rayonne. Gardez le décalage < 5% du temps de montée.
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