Requisitos de ancho de banda para señales de extremo único vs. señales diferenciales

Como se señaló en un artículo anterior, junto con las líneas de transmisión terminadas en serie, las señales diferenciales sirven como los enlaces para la mayoría de los dispositivos CMOS. Una de las principales diferencias entre las señales de extremo único y las señales diferenciales es que los requisitos de ancho de banda de una vía de señalización diferencial son mucho menos exigentes que los requeridos para una vía de señalización de extremo único operando a la misma frecuencia. Este artículo proporciona una visión general de los beneficios de la señalización diferencial y cómo opera en un producto electrónico en funcionamiento.

Una Breve Visión General de los Beneficios de la Señalización Diferencial

El primer dato sobre las señales diferenciales es que generalmente tienen un balanceo de señal mucho menor que las señales de extremo único y casi siempre están terminadas en paralelo. Esto resulta en que la carga total de corriente sea casi constante a medida que cambia de dirección en los cables de señal. Las ventajas específicas de las señales diferenciales incluyen:

• La carga de potencia es de corriente y constante.
• Tanto la corriente de señal como la corriente de retorno para los dos cables son iguales y en direcciones opuestas.
  • Esto produce una corriente total constante en las interfaces de paquete.
• Dado que ambas líneas en la señalización diferencial viajan en paralelo, tienden a tener la misma cantidad de ruido inyectado por el acoplamiento al plano sobre el cual viajan.
  • Las señales diferenciales no reciben la misma cantidad de acoplamiento de ruido de las trazas adyacentes.
• El receptor diferencial elimina los problemas resultantes de caídas de tierra o cambios en la fuente de alimentación entre componentes.
• Las señales diferenciales pueden operar a velocidades mucho mayores que las señales de extremo único.

Dado lo anterior, parecería que usar señales diferenciales es una decisión obvia. Sin embargo, hay una desventaja: requieren serializar los datos en un extremo y deserializar los datos en el otro.

También hay un concepto erróneo que se aplica comúnmente a la señalización diferencial: La característica atribuida a la señalización diferencial es que el enrutamiento lado a lado de los pares en un PCB proporciona rechazo de ruido en modo común. Como se discutió en artículos anteriores, este no es el caso.

Cómo Operan los Diferentes Tipos de Lógica

Lógica Real

Antes de profundizar en cómo opera la lógica de extremo único versus cómo opera la lógica diferencial, es útil revisar cómo opera la lógica real. Esto se aborda en los siguientes puntos.

• Las señales lógicas reales no son ondas cuadradas perfectas.
• Los controladores reales tienen una capacidad limitada para generar armónicos superiores de la frecuencia del reloj, lo que resulta en bordes redondeados, como se muestra en el gráfico en el lado izquierdo de Figura 1.

• Los controladores más lentos producen bordes más lentos, como se ve en el lado derecho del gráfico en Figura 1.

Lógica de Extremo Único

Las características operativas clave de la lógica de extremo único incluyen:

• Las vías de lógica de extremo único tienen entradas que responden a los bordes ascendentes y descendentes de las señales lógicas.
  • Cuando un borde ascendente o descendente pasa a través de un voltaje umbral (generalmente a medio camino entre un nivel lógico 1 y un nivel lógico 0), se detecta un cambio lógico.
• Qué tan precisamente se determina el momento de los cambios lógicos depende de qué tan rápido o agudo sea ese borde.
  • Los bordes más lentos resultan en una detección menos precisa de cuándo cambia un estado lógico.
• Para preservar la precisión lógica, la vía de señal debe pasar varios armónicos superiores de la frecuencia del reloj.
• Armónicos es el término que se utiliza para describir la distorsión de una onda senoidal por otras formas de onda que son de frecuencias diferentes.

Detalles Importantes Sobre Armónicos de Señal vs. Tiempo de Subida y Su Impacto en Vías de Datos de Extremo Único

Para entender cómo operan las señales de extremo único, es útil tener en cuenta el papel de los armónicos de la señal frente al tiempo de subida. Estos puntos de datos incluyen:

• La transformación de Fourier de una forma de onda produce los armónicos presentes en la forma de onda, así como sus amplitudes.
  • El análisis de Fourier es una operación matemática sobre una forma de onda de voltaje que la convierte del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia o viceversa.
• El diagrama en el lado izquierdo de la Figura 2 muestra el contenido de frecuencia de una ruta lógica cuya frecuencia de reloj es de 100 MHz con un tiempo de subida lento. Los componentes principales son los armónicos impares de esta frecuencia.

• El diagrama en el lado derecho de la Figura 2 es la misma forma de onda que la del lado izquierdo pero con tiempos de subida y bajada más rápidos. Se puede observar que los armónicos de frecuencia más alta son mucho mayores en el lado derecho que en el izquierdo.
  • Una ruta de señal con bajo ancho de banda causaría esta desaceleración de los bordes como se muestra en el lado izquierdo de la Figura 2. Esto resulta en una operación menos confiable de la ruta de datos de extremo único.

Cómo Opera Una Señal Diferencial

La Figura 3 muestra una ruta de datos diferencial.

En contraste con cómo opera una ruta de datos de extremo único, los aspectos clave del funcionamiento de una señal diferencial incluyen:

• Las rutas de datos diferenciales deciden cuándo tiene lugar un cambio de estado lógico detectando cuándo las dos señales iguales y opuestas se cruzan como se muestra en la Figura 4.

• A diferencia de una ruta de datos de extremo único, la ruta de datos diferencial tiene un requisito diferente en términos de cómo opera. Con la señalización diferencial, el enfoque está en la precisión del cruce. No depende del tiempo de subida de la señal.

Los puntos destacados respecto a la señal diferencial mostrada en la Figura 4 son los siguientes:

• Como se puede ver, la señal diferencial en la Figura 4 tiene la apariencia de un “ojo”.
  • Es por esto que a este gráfico se le denomina “diagrama de ojo” en la industria de la SI.
• Para que una ruta de señal diferencial funcione correctamente, son necesarias dos condiciones. Incluyen:
  • El "ojo" debe estar suficientemente abierto para permitir que el receptor detecte el estado lógico con precisión. (Algunos receptores solo necesitan cuatro o cinco milivoltios para hacer esto.)
  • Un cambio de estado lógico se detecta donde las señales se cruzan. El movimiento asociado con este cambio no debe moverse demasiado hacia atrás y hacia adelante. Si ocurre demasiado a menudo, el resultado será jitter, y la señal se degradará.
  • Las condiciones anteriores se cumplen cuando la señal es poco más que una onda senoidal o el primer armónico de la frecuencia del reloj.

Basado en lo anterior, se pueden hacer las siguientes determinaciones respecto a los requisitos de ancho de banda de las señales diferenciales. Estas determinaciones incluyen:

• Basado en la discusión anterior respecto a la Figura 4, se puede determinar que los requisitos de ancho de banda de una ruta de señalización diferencial son mucho menos exigentes que para una ruta de datos de extremo único con una frecuencia similar.
• La señalización exitosa con una ruta de datos diferencial requiere un ancho de banda de la ruta que sea un poco más que la frecuencia del reloj.
  • Como ejemplo, una ruta de datos de 6.125 Gb/S tiene una frecuencia de reloj de 3.0625 GHz. Una ruta de datos con un ancho de banda que es poco más de 3 GHz funcionará correctamente a esta tasa de datos.
• Una ruta de datos de extremo único con la misma tasa de datos requeriría un ancho de banda de unos 40 GHz para operar correctamente.

Resumen

En contraste con la señalización de extremo único, los requisitos de ancho de banda para una ruta de señalización diferencial son mucho menos exigentes que los necesarios para una ruta de señalización de extremo único que opera a la misma frecuencia. La señalización diferencial ofrece un número significativo de beneficios en términos de una ruta de carga que es constante y de corriente; señales y corrientes que son iguales y en direcciones opuestas; señales que no reciben la misma cantidad de ruido inyectado que las señales de extremo único; un receptor que elimina los problemas que surgen de caídas de tierra o cambios en la fuente de alimentación entre componentes y señales que operan a velocidades mucho más altas que las señales de extremo único.

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Referencias:

1. Ritchey, Lee W., y Zasio, John J., Acertar a la Primera, Un Manual Práctico sobre Diseño de PCB y Sistemas de Alta Velocidad, Volúmenes 1 y 2.
2. Curso de 3 días de Speeding Edge, “Integridad de Señal y Diseño de Sistemas y Llegar a 32 Gb/S, Cómo Diseñar Pares Diferenciales de Muy Alta Velocidad.”
3. Curso de 1 día de Speeding Edge, “Llegar a 32Gb/S Cómo Diseñar Pares Diferenciales de Muy Alta Velocidad.”