Principios de pares diferenciales - Parte 1

^{” Flujo de corrientes en modo diferencial”.}

En el caso de que la diferencia no sea nula, el resultado será que nuestro propio sistema genera ruido en modo diferencial por un mal acoplamiento de las líneas de transmisión, o bien, por el camino de retorno del lazo de corriente.

En el caso del modo común, inyectamos la transmisión de datos a ambas líneas, pero desfasadas 180 grados una de la otra. Si la suma de estas no es nula, no habrá cancelación de la fuente de ruido, por lo que obtendremos un mal acoplamiento en modo común.

^{“Flujo de corrientes en modo común”.}

Si entendemos cualquiera de los acoplamientos, entenderemos ambos, dado que por definición uno es el contrario del otro, es decir, el modo común aparecerá como ausencia del modo diferencial.

Ahora que hemos repasado brevemente los tipos de acoplamiento hablaremos de dos definiciones muy usadas en los principios de pares diferenciales y que vienen dadas por ambos tipos de acoplamiento.

Tipos de modos de transmisión de datos: modo par y modo impar

El modo impar y modo par en un par diferencial nos indicará el sentido de la transmisión en ambas líneas, y, por tanto, el tipo de acoplamiento.

En el modo impar ambas líneas transmiten en la misma dirección desfasadas una de la otra, como ya comentamos anteriormente, estamos hablando de acoplamiento en modo común.

En el modo par cada línea transmite la misma información, pero en sentidos opuestos.

Si nos damos cuenta hablar de modo par y modo impar, es hablar de modo común y modo diferencial en un par diferencial, es decir, en cada uno de los modos el camino de retorno de la corriente, y, por tanto, el del campo eléctrico generado será distinto en cada caso. Y este, el campo electromagnético generado, el hándicap del diseño de pares diferenciales.

La impedancia en un par diferencial

Lo más importante para un diseñador de PCB es ajustar correctamente la impedancia del par diferencial para intentar anular cualquiera de los dos tipos de acoplamientos, por ello conocer el modo de la transmisión, es decir, par o impar, tiene mucha importancia, ya que de ello depende la impedancia común en el par.

Si estamos en el caso el cual el acoplamiento es totalmente perfecto, es lógico pensar que la impedancia del par diferencial es la suma de impedancias de cada línea de transmisión, es decir, si deseamos un par diferencial de 100 Ω cada una de las líneas de transmisión están diseñadas con un control de impedancias de 50 Ω como si de “single-end” se trataran.

Pero ¿Qué ocurre si el acoplamiento no es perfecto? Por norma general, nos encontraremos en este caso. Dependiendo si la comunicación es impar o par deberemos de tener en cuenta las siguientes restricciones. Para ello, nos simplificamos el sistema a través del siguiente circuito:

Si estamos en modo impar, la impedancia del par diferencial deberá ser vista como el resultado del modo común, es decir que la impedancia total será el doble de la impedancia de la línea de transmisión menos la impedancia del acoplamiento, dado que en este caso cada línea de transmisión es simétrica, la corriente que circula por la impedancia de acoplamiento es cero, por lo que se puede obviar.

De este modo, podemos conocer la impedancia en un par diferencial para cada modo de transmisión, veremos qué más factores debemos de tener en cuenta a la hora de diseñar los pares diferenciales.

De nuevo el efecto “Skew”.

Antes de entrar en detalle con el diseño de los pares diferenciales en Altium, debemos recordar brevemente que es el efecto “skew”, dado que a la hora de trazar los pares diferenciales a lo largo del PCB, si las líneas de transmisión no son simétricas y de la misma longitud; caso habitual en el que nos encontraremos, aparecerá dicho efecto.

El efecto “skew” o efecto pelicular del cobre, se produce cuando la densidad de corriente no es uniforme en la sección del material, lo que hace que la variación del campo magnético en el conductor sea mayor en el centro, y menor en la periferia de la sección de pista de cobre.

Este fenómeno solo ocurre cuando la densidad de corriente varia. Por ello, este fenómeno no existe en corriente continua y, sin embargo, en corriente alterna si que existe. No debemos olvidar que una línea de transmisión de datos no se comporta como un flujo de corriente continua, si no, que a alta frecuencia se producirá una variación de tensión a medida que se transmita la señal por la línea, y de este modo, aparecerá este efecto en las pistas y vías de la PCB.

Para entenderlo mejor, consideremos una línea de transmisión de datos en un cable. En ella, los electrones se desplazan de manera radial hacia la superficie del contorno, aumentando la concentración en el mismo a medida que aumenta la frecuencia suponiendo que la línea de transmisión sea de sección circular.

Cuando nos encontramos en ese caso, en el que el flujo es a través de una pista en un PCB, el campo magnético producido por el flujo de corriente que atraviesa el conductor deja de ser uniforme y centrado en el centro geométrico de la sección de la pista, y pasa a desplazarse a cada uno de los lados del contorno de la sección, lo que hace menos predecible y dificulta el control de la energía que se propaga en forma de campo.