¿Qué son los pares diferenciales y las señales diferenciales?

Los pares diferenciales proporcionan una forma novedosa de enrutar flujos de bits de alta velocidad de datos, en los que cada transición de flanco suele tener un tiempo de subida muy rápido. Los protocolos diferenciales utilizados en los diseños de alta velocidad son la base de muchas de las normas de señalización más conocidas: USB, HDMI, Ethernet y muchos más se enrutan como pares diferenciales y requieren de un diseño y enrutamiento cuidadosos de las pistas. En el pasado, esto obligaba a hacer muchas correcciones manuales de las longitudes de los pares diferenciales para garantizar que cumplieran con los objetivos de longitud y las tolerancias de impedancia. Sin embargo, los programas CAD más recientes facilitan la codificación de estos requisitos como reglas de diseño para garantizar un enrutamiento preciso.

En este artículo, proporcionaremos una descripción general básica del comportamiento de las señales diferenciales y la función de los pares diferenciales. Estos tipos de señal son estándar en protocolos de señalización de alta velocidad, pero pueden aparecer en dispositivos más sencillos, por lo que es importante entender cómo se enrutan en una disposición de PCB. También proporcionaremos algunas definiciones más específicas de impedancia de pares diferenciales y cómo funciona el ruido en un par diferencial. Esperamos que con esto, los nuevos diseñadores de PCB puedan tener una mejor idea de la importancia de los protocolos diferenciales.

Aspectos básicos de la señalización diferencial

Los pares diferenciales son muy sencillos: están compuestos de dos pistas, enrutadas una al lado de la otra, y que transportan señales de igual magnitud y polaridad opuesta en cada pista. En los protocolos digitales de alta velocidad, los datos se envían a través de pistas de salida simple que tienen una impedancia controlada en una PCB; cada pista individual está diseñada para tener una impedancia específica. Esto se logra mediante un enfoque estándar de diseño de pistas con impedancia controlada en el que el ancho requerido para alcanzar la impedancia de pista objetivo se determina una vez diseñado el apilamiento y seleccionado para enrutar los pares diferenciales.

La señalización diferencial no se compone necesariamente de tipos especiales de señales. Todos los pares diferenciales utilizados para transportar datos digitales seguirán llevando información binaria o incluso varios bits a la vez gracias a protocolos más avanzados, como el PAM4. La diferencia entre una pista digital estándar y una señalización diferencial es que una señal diferencial se recupera e interpreta de manera diferente.

Si observamos la señal que se propaga en un par diferencial, realmente tenemos dos señales con polaridad opuesta, pero de igual magnitud. El nivel de señal que lee un receptor diferencial no es más que la diferencia entre las tensiones de las dos señales. Esto se muestra en la siguiente imagen.

En la imagen anterior, tenemos un par diferencial que se enruta sobre un plano de tierra uniforme. Se supone que se enrutan en una capa superficial como microstrips de impedancia controlada, aunque estas mismas ideas se aplican también a las striplines en una capa interna. Un componente que opera con señalización diferencial requiere que se utilice la diferencia entre estas dos señales para interpretar un nivel lógico en el receptor. Fíjate en que los niveles de señal individuales (V1 y V2) siguen definidos con respecto a la referencia GND, que generalmente se coloca como un plano por debajo de las pistas. Dicho de otro modo: si te lo propusieras, podrías medir la señal con respecto a tierra en cada lado del par con un osciloscopio.

Este método de transferencia de datos digitales (como un par de señales de polaridad opuesta en un par de pistas) es estándar en protocolos de alta velocidad como USB, Ethernet, líneas de reloj y datos DDR y algunas normas de señalización digital patentadas. Entonces, ¿qué ha hecho que los pares diferenciales y las señales diferenciales tengan tanto éxito y cuáles son algunas de las dificultades que presentan? Algunas de las ventajas y desventajas importantes se resumen en la siguiente tabla:

Veamos estas diversas ventajas y desventajas en una PCB y cómo se manifiestan en el enrutamiento y la disposición.

Supresión del ruido en modo común

La capacidad de suprimir el ruido en modo común sin necesidad de filtrado es exclusiva de los pares diferenciales. La supresión del ruido en modo común se debe a que la diferencia entre las dos señales se mide en un par diferencial, lo que puede anular cualquier ruido en pares diferenciales en determinadas condiciones.

La imagen a continuación muestra esquemáticamente cómo se consigue la supresión del ruido en modo común en un par diferencial. Si el ruido se introduce en el receptor dentro del margen de desviación adecuado, el receptor podrá cancelarlo.

La cuestión aquí es que se debe recibir el mismo nivel de ruido a cada lado del par. Esto podría suceder en un par diferencial que se enruta a través del espacio libre sobre un cable, por lo que no es imposible. Sin embargo, esto no significa que los pares diferenciales sean inmunes a la diafonía en una PCB. Por ejemplo, si tienes una pista de salida simple cerca de un par diferencial, puedes combinar un pulso de diafonía en ambos pares a través del campo magnético generado durante la conmutación. Sin embargo, el pulso de la diafonía no será recibido por igual por ambas pistas del par; la fuerza del campo magnético. El resultado es que el ruido no se cancelará en el receptor y es posible que haya algo de ruido a un lado del par. Asegúrate de que se aplique el espaciado adecuado entre las pistas de salida simple y los pares diferenciales para evitar que se reciba ruido excesivo a cada lado del par.

EMI emitida desde pares diferenciales

Una de las grandes ventajas de las señales diferenciales es que emiten poco ruido. Cuando las dos pistas del par están más cerca, los campos magnéticos que generan durante la conmutación son iguales y opuestos. Mientras las dos señales estén en fase y sean de la misma magnitud, los campos magnéticos que generen se contrarrestarán entre sí. Ten en cuenta que el campo generado no es cero en todas partes; esto solo es cierto a lo largo de la línea central dentro el par. Sin embargo, el campo será de baja magnitud y producirá menos ruido en las pistas cercanas de salida simple.

Esta es otra razón por la que los pares diferenciales son preferibles para canales de alta velocidad de datos. Los protocolos en serie que funcionan a altas velocidades de datos (del orden de los Gbps en adelante) tendrán transiciones de flanco muy rápidas en cada bit. Por lo tanto, cada pista del par diferencial emitirá una fuerte EMI a través del campo magnético durante estas transiciones de flanco rápidas (eventos de alta dI/dt). Con estas señales de velocidad de flanco rápida, la capacitancia parasitaria con respecto a los conductores cercanos puede suponer un problema, además de que el ancho de banda de la señal puede abarcar frecuencias elevadas, en el orden de los GHz.

Si bien es posible que los pares diferenciales produzcan una diafonía menor en una señal cercana de salida simple, también pueden producir una diafonía en modo diferencial en un par diferencial cercano. En ese caso, es importante optimizar cuidadosamente el espaciado entre pares diferenciales. Aunque los pares diferenciales son relativamente inmunes al ruido en modo común, no son inmunes al ruido en modo diferencial. Tenlo en cuenta al enrutar los pares diferenciales y deja suficiente espacio entre pares para garantizar un bajo acoplamiento de ruido entre ellos.

Inmunidad a los desajustes (offset) de tierra

La razón principal por la que los pares diferenciales se utilizan en enlaces largos que podrían cruzarse entre dos placas, es su inmunidad a los desajustes de tierra. Un desajuste (offset) de tierra en CA o CC puede considerarse como ruido en modo común, ya que es una perturbación en la señal que afecta a cada lado del par en la misma fase y magnitud. Por lo tanto, también puede ser eliminado por el receptor diferencial. Cuando la señal que viaja atraviesa un espacio entre dos regiones de tierra diferentes, hay una discontinuidad de impedancia entre los dos componentes. Es posible que una señal de salida simple de la fuente no tenga la misma tensión en la carga porque los potenciales de tierra en cada región son diferentes. Como resultado, el receptor leerá la tensión correcta transportada por la señal porque el nivel de señal diferencial no depende de la diferencia de potencial entre dos regiones GND diferentes.

Si has creado tu placa de PCB adecuadamente para que admita componentes y enrutamientos de alta velocidad, el uso de un plano de tierra debería permitirte obtener un potencial de tierra uniforme en todo el diseño. Aunque las señales diferenciales pueden soportar un desajuste de tierra entre diferentes tierras en una PCB, los diseños que funcionen a frecuencias/velocidades lo suficientemente altas como para requerir pares diferenciales deben enrutarse en cualquier caso sobre un plano de tierra uniforme.

Diseño y enrutamiento de pares diferenciales

Dado que las señales diferenciales de los protocolos informáticos estándar y de algunos periféricos funcionan a velocidades de flanco elevadas, generalmente requerirán un control de impedancia para evitar la reflexión de ondas en el extremo de carga de un par diferencial. Todos los pares diferenciales utilizados en el diseño de PCB de alta velocidad requieren el ajuste de los dos lados del par para garantizar que cada señal de polaridad llegue al receptor al mismo tiempo. Estos son algunos de los consejos básicos de diseño para trabajar con pares diferenciales:

• Impedancia diferencial y de salida simple: Los estándares de señalización diferencial especifican algunos requisitos de impedancia diferencial y de salida simple que deben cumplirse para evitar reflejos y garantizar una transferencia de potencia máxima al componente receptor.
• Ajuste de retardo o emparejamiento de longitud: Las longitudes de las pistas en el par diferencial deben coincidir dentro de la tolerancia de sesgo definida dentro de la norma de señalización, aunque esto puede ser bastante generoso y, en función de la norma, podría equivaler a varios milímetros.
• Espaciado congruente: En mi opinión, el espaciado entre los pares diferenciales debe establecerse al valor mínimo que no infrinja las restricciones de impedancia. La razón es que, de ese modo, se contribuye a garantizar que la EMI en modo común emitida sea lo más baja posible y que el ruido en modo común recibido en un par como diafonía tenga casi la misma magnitud en cada pista del par diferencial.

Para las señales de alta velocidad existen otras consideraciones, como el ancho de banda de la señal y las pérdidas a lo largo de la longitud del enlace, que deben tenerse en cuenta al seleccionar materiales y componentes. Las mejores herramientas de enrutamiento pueden ayudarte a cumplir con estos requisitos, garantizando que los ajustes del diseño estén codificados como reglas de diseño y proporcionándote herramientas automatizadas con las que obtener cálculos de impedancia y aplicar secciones de longitud emparejada en tu PCB.

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