Pares diferenciales sin un plano de tierra: ¿Es un problema?

Las parejas diferenciales han ayudado a resolver algunos problemas básicos de integridad de señal, y las herramientas modernas de CAD facilitan su diseño y enrutamiento. Sin embargo, las parejas diferenciales no son la solución para cada problema de integridad de señal, a pesar de su utilidad en la supresión de ruido de modo común en un receptor de bajo nivel. Siempre surge una pregunta cuando se discute el enrutamiento de parejas diferenciales: ¿necesitan estas trazas una capa de tierra?

A veces, la respuesta a esta pregunta depende de a quién le preguntes y de qué ejemplo conceptual uses para explicar cómo funcionan las parejas diferenciales. Como la mayoría de las preguntas de ingeniería que encontramos en este y otros blogs, hay granos de verdad en todas las respuestas que encontrarás a esta pregunta, y es fácil sacar esos puntos de contexto. Veamos cuándo necesitas usar una capa de tierra para parejas diferenciales y cuándo es simplemente una mala idea enrutear parejas diferenciales sin tierra.

¿Qué es una Capa de Tierra para Parejas Diferenciales de Todos Modos?

Si quieres saber cuándo es apropiado enrutear parejas diferenciales sin tierra, vale la pena saber qué hace una capa de tierra y por qué es importante. Primero, veamos qué hace físicamente una capa de tierra (más allá de ser simplemente un gran conductor de cobre):

• Capacitancia: Cuando se empareja con un plano de alimentación en una capa adyacente, acabas de crear un capacitor físicamente grande. Cuando los dos planos están cerca uno del otro (laminado delgado entre planos), tienes una mayor capacitancia interplano.
• Blindaje: Un plano de tierra proporciona una fuente/pozo de carga grande y agradable. La manera en que la carga se extrae o se introduce en un plano de tierra es básicamente irrelevante. Además, proporciona carga de imagen para terminar los campos eléctricos que apuntan hacia el plano.
• Punto de referencia único: Idealmente, proporciona un potencial de referencia. En otras palabras, se puede utilizar para proporcionar un punto de referencia para cualquier medición de voltaje, incluidas las "mediciones" de voltaje utilizadas por los ICs para registrar niveles lógicos. Se puede asegurar razonablemente que la señal de 3.3 V que mides en el extremo emisor de un interconector sin pérdidas se vea como 3.3 V en el extremo receptor.

Además de algunas otras características como proporcionar una manera simple de distribuir calor y energía a través de una placa, los planos de tierra proporcionan algunas funciones eléctricas básicas que a veces no se discuten hasta que llegas a una clase de electromagnetismo a nivel de posgrado. En cualquier caso, los últimos dos puntos importan para pares diferenciales sin tierra. Si haces bien tu enrutamiento, podrías no necesitar tierra para pares diferenciales.

Sus Pares Diferenciales, Planos de Tierra y Niveles de Señal

La manera en que un par diferencial depende de un plano de tierra se basa en algunos factores y se relaciona con los parásitos que gobiernan la impedancia. Primero, veamos los parásitos entre pares diferenciales. Todos los pares diferenciales tienen una pequeña cantidad de capacitancia parásita entre ellos, que se combina con su inductancia parásita y la capacitancia parásita nativa con respecto a los planos de tierra.

Estos parásitos producen dos efectos:

• La capacitancia mutua parásita y la inductancia mutua proporcionan acoplamiento entre las dos líneas en el par, lo que ayuda a determinar su impedancia diferencial.
• La capacitancia parásita de vuelta a los planos de referencia permite que una corriente de desplazamiento se propague en el plano de tierra.

Juntos, los parásitos determinan la impedancia diferencial del par, y la impedancia de modo impar (impedancia de un solo extremo) de una traza individual en el par.

Si hay una corriente de retorno debajo de las pistas en un par diferencial (asumiendo que hablamos de la misma manera que lo haríamos para pistas de extremo único), se encuentra muy cerca debajo del par y se aproxima a cero en el punto medio entre el par. Para señales de alta velocidad, uno podría esperar que la distribución de cualquier corriente de retorno debajo de la pista sea aproximadamente gaussiana. Esto se muestra en el gráfico en la imagen a continuación.

Aquí, para proporcionar un “camino de retorno”, realmente no necesitamos un plano de tierra. Imagina si aumentáramos lentamente la distancia entre el plano de tierra y las pistas en la figura anterior. Todas las líneas de campo eléctrico que emanan de la pista positiva terminarían en la pista negativa. Esto explica la definición de impedancia diferencial: es la impedancia entre las dos pistas debido a su acoplamiento mutuo. Esto también ayuda a explicar por qué los niveles de señal en un par diferencial se leen como la diferencia entre los valores en cada pista.

Aquí es donde alguien preguntará: "¿Cómo fluye la corriente desde el trazo positivo hacia el trazo negativo? ¡Debe ocurrir a través del IC!" Curiosamente, Lee Ritchey afirma conocer un libro de texto que muestra este gráfico específico en la portada. En lugar de preguntar por dónde fluye la corriente, sugiero que los ingenieros se alejen de esta idea de que la corriente "fluye" en algún lugar como el agua en una tubería.

Cuando se excita una onda en un extremo del trazo, el campo eléctrico es excitado por alguna distribución de carga libre en el conductor. El campo eléctrico de un conductor induce polarización en el conductor opuesto, lo que se ve como una corriente de desplazamiento. A medida que la onda se propaga por un par diferencial, también lo hace este desequilibrio de carga a lo largo de los dos pares. La tasa a la que este desequilibrio de carga se mueve a lo largo del trazo es, de hecho, una corriente de retorno. Note que también hay una contribución de la inductancia mutua, y la misma explicación se aplica.

¿Por qué usar un plano de tierra para pares diferenciales?

Un punto que todos mencionan con respecto a las trazas de extremo único pero olvidan con las trazas diferenciales es el nivel de aislamiento proporcionado por un plano de tierra. En términos simples, un plano de tierra cerca de los pares diferenciales distorsiona las líneas de campo y las termina en la superficie del plano. Si tienes enrutamiento de pares diferenciales en dos capas adyacentes, puedes aislar los pares simplemente colocando un plano de tierra entre las capas.

Esto lleva a otra razón para usar un plano de tierra: suprimir el diafonía diferencial. Las líneas de campo mostradas a continuación ilustran por qué los pares diferenciales pueden inducir diafonía en una traza diferente, incluyendo en otro par diferencial. A cada lado de la traza. Si lees el artículo que enlacé arriba, verás que distancias mayores entre un par diferencial y su plano de tierra aumentarán el nivel de diafonía inducida en otra traza (ya sea de extremo único o diferencial).

Esto se debe a los campos que rodean cada traza en un par diferencial, como se muestra en la imagen a continuación. Aquí, el campo no es cero en los bordes de un par, lo que significa que puede inducir ruido de modo común o diferencial en otra traza. Además de aislamiento entre capas, usar un plano de tierra también proporciona aislamiento adicional entre un par diferencial y cualquier otra traza en la misma capa. Esto podría permitirte trazar las trazas más cerca una de otra.

Falta de Tierra y el Problema del Desplazamiento de Tierra

Tenga en cuenta que, si planea usar pares diferenciales sin tierra mientras previene otros problemas de EMI, necesita aplicar emparejamiento de longitud para que las señales en un par diferencial lleguen al receptor dentro de su presupuesto de tiempo. Esto se debe a que, cuando las señales no coincidentes llegan al receptor, se mide su diferencia, pero cualquier desajuste puede reducir la capacidad de reducción de modo común del receptor. En términos de la corriente de retorno en cualquier referencia cercana, esto técnicamente produciría una ráfaga de corriente momentánea en la región de tierra acoplada capacitivamente más cercana. Si la región de tierra está lejos de los pares (es decir, un plano lejano o el chasis), entonces su corta ráfaga electromagnética puede radiar, efectivamente como su propia fuente de ruido de modo común. Sin embargo, en un sentido práctico, esta radiación no es tan preocupante excepto tal vez en PCBs densamente empaquetadas, en cuyo caso debería estar aplicando más espacio entre componentes propensos a la diafonía de todos modos.

La principal ventaja de usar pares diferenciales es la inmunidad al desplazamiento de tierra. Los pares diferenciales generalmente son inmunes a los desplazamientos de tierra y no requieren que las tierras a cada lado de un enlace diferencial se unan, por ejemplo, con un cable blindado. Los desplazamientos de tierra solo son un problema en la señalización de extremo único, ya que un desplazamiento de tierra modificará el nivel de señal en la placa. Esto se puede ilustrar esquemáticamente en un PCB con planos de tierra separados, o para un cable largo tendido entre dos sistemas cerrados como se muestra a continuación.

Debido a que un par diferencial se basa en medir la diferencia entre las señales en cada lado del par, el desplazamiento de tierra no importa en este enlace. Aunque esto podría no ser un problema en un PCB con un plano de tierra uniforme, es un problema real en enlaces eléctricos largos que se utilizan para unir equipos distantes.

Dependiendo de cómo se implemente la terminación y las desviaciones de impedancia entre cada lado del par, el método real para la compensación de desplazamiento de tierra se implementa con una fuente de corriente en un extremo del enlace (esto está integrado en el receptor). Con la terminación en el propio chip implementada en los componentes modernos de receptores y transmisores diferenciales, realmente no necesitas preocuparte por esto. Tu trabajo como diseñador es asegurarte de alcanzar los objetivos de impedancia requeridos y minimizar el desfase por debajo de los límites permitidos para tu interfaz en particular.

¿Qué determina la impedancia si no hay tierra?

Para una traza única, la impedancia característica depende de la relación entre el ancho de la traza y el grosor del dieléctrico. Si tienes un microstrip y aumentas la distancia a tierra a un valor muy grande, la impedancia característica de la traza crecerá logarítmicamente a valores muy grandes. Entonces, ¿cómo se mantiene la impedancia de un par diferencial en un valor fijo si no hay plano de tierra y la impedancia característica de cada traza se vuelve muy grande?

• La respuesta reside en el espaciado entre las pistas en el par. El objetivo de impedancia diferencial, así como la impedancia de cada pista por separado, se mantiene al mantener constante el espaciado entre las dos pistas. Esto establece la impedancia por separado Y la impedancia diferencial al valor objetivo, ¡incluso si no hay un plano de tierra!

Para un espaciado dado, la impedancia de cada pista se establecerá en la impedancia de modo impar debido al acoplamiento entre las dos pistas. La impedancia de la pista que afecta la propagación de la señal en cada pista del par es la impedancia de modo impar, no la impedancia característica. Esto debería explicar el papel de los cables que transportan señales diferenciales; el acoplamiento entre ellos mantiene la impedancia de cada alambre ajustada al valor de modo impar requerido, no la presencia de cualquier plano de tierra cercano (esto es totalmente arbitrario en cables no blindados sin conductor de tierra).

Si enrutas sobre una brecha de tierra y luego vuelves sobre un plano de tierra, ¿qué sucederá? Dependiendo del tamaño de la brecha y la distancia al plano, podrías ver una discontinuidad de impedancia. Necesitas asegurarte de que las impedancias de los trazos estén emparejadas en cada sección, y que la impedancia de entrada sea invisible para prevenir reflexiones. Asegúrate de tener esto en cuenta en tu calculadora de impedancia y apilamiento.

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