Una guía sobre la conversión de modo, sus causas y soluciones

Las parejas diferenciales se discuten más a menudo en términos de su impedancia y tolerancia de emparejamiento de longitud, ambos con el objetivo de asegurar una terminación adecuada en el receptor y la supresión de ruido de modo común. En interconexiones, como conexiones de placa a placa o arreglos de líneas de transmisión en cascada, tienes una métrica de cumplimiento EMC importante que a veces se pasa por alto. Esto es la conversión de modo, que puede visualizarse en una medición de parámetro S para la transmisión de señales diferenciales y de modo común.

El término "conversión de modo" se discute más a menudo en el contexto de la óptica, particularmente cuando las ondas se refractan al transmitirse a través de la interfaz entre dos medios, donde la onda puede cambiar de una verdadera onda no polarizada (TEM) a una onda parcial o totalmente polarizada. En el diseño electrónico, y particularmente en el diseño de interconexiones de alta velocidad, la conversión de modo debe limitarse por debajo de algún valor para asegurar que las señales puedan ser leídas e interpretadas en un receptor. En este artículo, veremos una breve visión general de la conversión de modo en diseño de alta velocidad con algunos ejemplos de estándares diferenciales comunes.

Visión General de la Conversión de Modo

El término "conversión de modo" se refiere a la conversión de una señal diferencial en una señal de modo común. Esto simplifica un poco las cosas; no es que toda la potencia contenida en una señal diferencial se convierta en modo común. En cambio, la porción convertida de la señal puede estar dispersa a través del dominio de frecuencia y se observa en un tipo específico de medición de parámetro-S. En esencia, la señal diferencial ha perdido parte de su energía al ser convertida en una señal de modo común, por lo tanto, la señal diferencial puede no ser recuperable si demasiada parte de la señal se convierte en el modo común.

Podrías sentirte tentado a preguntar: ¿por qué deberíamos preocuparnos por la conversión de modo y el ruido de modo común resultante en absoluto? ¿No elimina un receptor diferencial el ruido de modo común? Hay dos respuestas a esto que considerar:

• Las corrientes de modo común conducen a EMI radiada de modo común (radiación dipolo), lo que puede causar fallos en las pruebas de emisiones cuando es muy fuerte. Esto ocurriría durante la tasa de cambio, por lo que tendrías una emisión fuerte durante la transmisión de señales de alta velocidad sobre un par diferencial impreso/conector o un cable.
• Los receptores pueden suprimir la mayor parte del ruido de modo común que reciben, pero no todo, por lo tanto, las corrientes de modo común deben ser limitadas. Nuevamente, esto es importante durante la tasa de cambio; la porción de modo común de la señal puede ser mucho más fuerte de lo que el receptor puede suprimir de manera confiable cuando la conversión de modo es alta.

Parámetros S de Modo Mixto

La conversión de modo se describe matemáticamente utilizando parámetros S de modo mixto. Estos parámetros S mezclan los parámetros S para la señal diferencial de entrada y el ruido de modo común resultante en una única matriz. De manera similar, la misma matriz también describe los parámetros S para cualquier señal de modo común de entrada (o ruido) y la señal de modo diferencial resultante vista en la salida. La definición de la matriz de parámetros S de modo mixto es:

Aquí, la "D" se refiere a señal diferencial, y la "C" se refiere a señal de modo común. Los números en los subíndices tienen su significado habitual refiriéndose a los puertos 1 y 2 de un interconector de par diferencial.

Aquí tenemos una matriz con 16 parámetros, pero no todos estos se utilizan en la práctica. Los parámetros específicos que necesitas se pueden determinar descodificando la nomenclatura de los parámetros en la matriz:

En otras palabras, si quieres determinar la cantidad de ruido de modo común que se ve en el puerto 2 de un par diferencial cuando al puerto 1 se le aplica solo una señal diferencial, esa cantidad es igual al producto (SCD21)(a1d). Utilizando estos parámetros S medidos, es entonces posible determinar la cantidad de potencia de modo común o modo diferencial transferida a un receptor o colocada en un cable.

Límites de Conversión de Modo

¿Cuánto de esta señal de modo común es demasiado? La respuesta es que no se necesita mucho ruido de modo común propagándose de un I/O a un cable para causar un fallo de EMC. La corriente específica es una función de la frecuencia y dependerá del estándar específico con el que estés trabajando. Por ejemplo, los productos de la FCC Clase A y Clase B tendrán límites diferentes a los productos CISPR; la tabla a continuación resume estos límites para los productos de la FCC Clase A y Clase B (el crédito es para el fallecido Henry Ott por compilar los datos).

Límites de corriente en modo común en cableado para productos de Clase A y Clase B de la FCC.
* Basado en Límites de Emisión Conducida
** Basado en Límites de Emisión Radiada

Solo para dar una perspectiva, las corrientes involucradas en la transmisión de datos a través de Ethernet o LVDS clásico están en niveles de mA, por lo que tenemos niveles muy bajos de corriente en modo común permitidos en comparación con la corriente de señal diferencial.

En términos de límites de estándares de señalización, esto varía con el estándar y dónde se toma la medición. Note que los límites de los estándares de señalización definen el rendimiento del hardware; no definen los límites de emisiones requeridos para pasar las pruebas de EMC. Por ejemplo, en USB 3, el límite de conversión de modo en ensamblajes de cable acoplados es de -20 dB a lo largo del ancho de banda de señal especificado, por lo que todo el interconectado podría permitir mucho ruido en modo común y aún así funcionar según las especificaciones. Note que "funcionar según las especificaciones" y el cumplimiento con FCC/CISPR no son necesariamente lo mismo.

Causas de la Conversión de Modo

La asimetría en el enrutamiento en el PCB o en el cableado utilizado en un cable causará conversión de modo en interconexiones diferenciales. Otra forma de pensar esto no es que crea nuevo ruido de modo común donde no había ninguno, sino que la asimetría retrasa la llegada del cruce por cero hacia los bordes o la creación de un retraso de fase entre las dos señales en cada traza. Como resultado, es más difícil para el receptor diferencial suprimir completamente el ruido de modo común a lo largo del ancho de banda de la señal.

Un efecto secundario es que una asimetría permite el acoplamiento de algún ruido que puede existir solo en un conductor pero no en otro, o que puede no acoplarse completamente a ambos conductores con igual magnitud. Nuevamente, las corrientes de modo común no se cancelarán completamente ya que pueden no estar verdaderamente en modo común, por lo que algo de ruido aparecerá en la señal recibida.

Las asimetrías surgen de las siguientes maneras:

• Variaciones de geometría (longitud o desajuste de sección transversal)
• Constante dieléctrica y constante de propagación, como las provenientes del tejido de fibra
• Variaciones de impedancia, posiblemente debido a los puntos anteriores o a parásitos
• Segmentos de retardo acoplados, como el enrutamiento serpenteante diferencial (ver el ejemplo abajo)
• Inyección de señal de un sistema desbalanceado (en un PCB) a un sistema balanceado (cable de par trenzado)

En el PCB, esto está relacionado con el enrutamiento, inhomogeneidades del material, o discontinuidades más simples como brechas en el plano de tierra en pares diferenciales poco acoplados.

Cada uno de estos efectos creará conversión de modo en diferentes rangos de frecuencia, lo cual puede ser observado en datos de parámetros-S. Por ejemplo, las contribuciones del tejido de fibra y la capacitancia parásita aparecerán a frecuencias más altas, mientras que las variaciones de geometría podrían crear conversión de modo de banda ancha. Dado que esta es una medición en el dominio de la frecuencia, utilizamos parámetros-S para cuantificar la conversión de modo (medida en dB comparando la fuerza de la señal diferencial y en modo común).

Ejemplo de Medición de Conversión de Modo

Lo siguiente muestra un ejemplo básico de una medición de conversión de modo. Para un canal dado, definimos dos tipos de parámetros-S que se utilizan para cuantificar la conversión de modo:

• Conversión de modo diferencial a modo común (SCD21): Introducimos una señal de prueba en modo diferencial y medimos la señal de salida en modo común.
• Conversión de modo común a modo diferencial (SDC21): Introducimos una señal de prueba en modo común y medimos la señal de salida en modo diferencial.

El ejemplo a continuación muestra la conversión de modo creada a través del dominio de frecuencia por secciones de enrutamiento serpenteante utilizadas para retrasar pares diferenciales en un bus paralelo.

La interpretación usando parámetros S tiene sentido, y se aplica a canales en un PCB o una red en cascada que encontraría usando un tipo de interconexión (PCB + E/S + cable + E/S + PCB). La metodología también se aplica a conectores de placa a placa, donde el conector juega un papel similar al de un cable. No importa cómo esté estructurada la interconexión, el punto importante es este:

Jitter vs. Conversión de Modo

Dado que la asimetría en el tiempo de propagación y la conversión de modo están vinculadas, y el jitter produce asimetría, sería razonable preguntar, ¿podemos predecir el jitter a partir de mediciones de conversión de modo? De hecho, puedes hacer exactamente eso con una fórmula simple usando tus datos de parámetros S. La relación básica es:

Esta ecuación describe el jitter de traza a traza y debería decirte algo importante: ¡el jitter es una función de la frecuencia de prueba! El lado derecho de la ecuación anterior es una función de la frecuencia, y nota que la frecuencia angular aparece en el lado izquierdo. Simplemente introduce tus datos de parámetros S en cada frecuencia de prueba y podrás calcular el jitter en esa frecuencia específica. Dado que estamos tratando con pares diferenciales, normalmente cuantificamos el T-jitter como una fracción del intervalo unitario (UI) ya que esto es lo que leerías de un diagrama de ojo.

Como ejemplo, esto se puede ver en mediciones de cables, como en el gráfico mostrado a continuación. Este gráfico muestra mediciones de conversión de modo en un cable twinax de 28 AWG. Podemos ver que el desfase total es una función de la longitud del cable (como se esperaba), así como una función de la frecuencia. El componente de frecuencia puede no ser sorprendente, hasta que recuerdas que el desalineamiento de fase debido a la conversión de modo también es una función de la frecuencia, por lo tanto, esperaríamos lo mismo para el desfase.

La conclusión: Mantén la Simetría

Todo esto debería ilustrar la necesidad de igualar la longitud entre los dos lados de un par diferencial y la simetría en el enrutamiento. Cuando escribo "simetría en el enrutamiento", no necesariamente me refiero a "acoplamiento estrecho" como a menudo se prescribe en las pautas básicas de diseño de PCB de alta velocidad. Más bien, me refiero a lo siguiente:

• La constante de propagación para cada traza en el par debe ser la misma a lo largo de la longitud de la ruta, independientemente de si las trazas están una al lado de la otra durante toda la distancia.
• La impedancia de modo simple de cada traza debe ser consistente a lo largo de la longitud de la ruta, independientemente de si las trazas están una al lado de la otra durante toda la distancia.
• Cualquier variación en la impedancia/constante de propagación (por ejemplo, debido a la capacitancia parásita) debe aparecer igualmente en ambas trazas del par. La asimetría en esta área es conocida por ser uno de los principales contribuyentes a la conversión de modo.

Respecto al último punto, hay un gran artículo que recomiendo a los lectores consultar para ver cómo las vías de tierra pueden afectar la conversión de modo:

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. “Conversión de Modo Diferencial a Modo Común en Vías de Señales Diferenciales Debido a Configuraciones Asimétricas de Vía de GND.” In Compliance, 1 de junio de 2014.

Como he mencionado antes (al igual que otros expertos), el llamado "acoplamiento estrecho" no es un requisito para la transmisión de señales diferenciales mientras que las pistas estén diseñadas adecuadamente, aunque sí aporta algunos beneficios desde la perspectiva del ruido. También es la única manera de asegurar que se cumpla una especificación de impedancia diferencial sin un plano de tierra cercano. Piensa detenidamente cómo quieres enrutar un par diferencial y definir su impedancia, ya que esto ayudará a prevenir la conversión de modo. Por lejos, la manera más fácil de asegurarte de cumplir con todos estos objetivos es simplemente morder la bala y enrutar todo con simetría forzada y acoplamiento estrecho. Afortunadamente, las herramientas modernas de CAD hacen que todo esto sea muy fácil.

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