¿Debería usar un espaciado y acoplamiento de pares diferenciales ajustado o suelto?

Recibimos muchas preguntas sobre la impedancia de traza y cómo calcular el tamaño de traza adecuado para alcanzar una impedancia específica en un PCB fabricable. Tan importante como determinar un ancho de traza apropiado para una traza de extremo único es la determinación de un espaciado apropiado entre dos trazas en un par diferencial. Entonces, la pregunta es, ¿qué tan cerca necesitan estar las trazas en un par diferencial una de la otra, y es realmente necesaria la necesidad de un "acoplamiento estrecho"?

Lo interesante de esta guía de diseño es que probablemente es la única regla de diseño de PCB que está más mal definida. ¿Qué es exactamente un "acoplamiento suelto" o un "acoplamiento estrecho" en un sentido numérico? ¡Si le preguntas a 10 gurús diferentes de integridad de señal, obtendrás 20 respuestas diferentes!

En este artículo, queremos acercarnos a una descripción realista del acoplamiento estrecho versus el acoplamiento suelto en términos de espaciado de pares diferenciales, así como cómo el espaciado de pares diferenciales afecta cosas como la impedancia, el ruido en modo diferencial, la recepción de ruido en modo común y la terminación. Como veremos, el enfoque en el acoplamiento estrecho (sea lo que sea que se supone que significa) tiene sus méritos, pero a menudo se cita como necesario por las razones equivocadas.

Cómo la separación de pares diferenciales afecta la integridad de la señal

Vamos a examinar cada una de las dimensiones que mencioné anteriormente para ver exactamente dónde juega un papel la separación de pares diferenciales, y cómo establecer el valor apropiado.

Impedancia

El parámetro principal en un par diferencial que se ve afectado por la separación es la impedancia. La impedancia de un par diferencial depende de la auto capacitancia y la auto inductancia de cada traza, y de la capacitancia mutua y la inductancia mutua entre cada traza. Esto significa que la fórmula para la impedancia típica de un par diferencial necesita ser descompuesta en la impedancia impar y la impedancia diferencial, que se definen de la siguiente manera:

La inductancia mutua y la capacitancia existen para dar a los dos pares una inductancia y capacitancia total equivalentes, respectivamente. En la ecuación anterior, hemos ignorado las pérdidas (R y G en la ecuación de impedancia de la línea de transmisión), pero está bien, el punto aquí es prestar atención a la separación.

• Cuanto más cerca coloques los pares, la impedancia diferencial se reduce porque L_M y C_M aumentan. Tanto L_M como C_M convergen a cero a medida que el espaciado se incrementa hasta el infinito.

En otras palabras, si estás diseñando para alcanzar un objetivo de impedancia diferencial (como se especifica en un estándar o se determina a partir de mediciones), entonces no puedes colocar los dos pares demasiado cerca uno del otro, de lo contrario, no cumplirás con el objetivo de impedancia ya que la impedancia diferencial será demasiado pequeña. Sin embargo, un espaciado menor concentrará los campos eléctricos y magnéticos entre las dos pistas a lo largo de la ruta, lo que aumenta la pérdida.

La inductancia mutua y la capacitancia mutua entre dos pistas no es fácil de calcular, y no existen fórmulas cerradas simples que puedas utilizar. Hay algunas fórmulas más largas en algunos artículos de investigación, pero son muy largas y difíciles de manejar. Una mejor opción es usar un editor de apilado con una calculadora integrada. Este tipo de utilidad normalmente utiliza un solucionador de campos electromagnéticos para determinar la impedancia de un par diferencial, en lugar de determinar la capacitancia mutua y la inductancia.

Supresión de Ruido de Modo Común

Los pares diferenciales a veces se describen como inmunes al diafonía, aunque no siempre se especifica si esto es de señales de modo único o señales diferenciales. Independientemente, la verdad es que los pares diferenciales no son inmunes a la diafonía, ya sea de fuentes de ruido de modo diferencial o fuentes de ruido de modo común. Para aprender más sobre el primero, puedes leer este artículo sobre la diafonía diferencial.

¿Qué pasa con el ruido de modo común que se origina como diafonía? Si estás observando una traza agresora de modo único que induce una señal en un par cercano de modo diferencial, la realidad es que nunca puedes garantizar una supresión total del ruido de modo común, no importa cuán cerca rutees las dos trazas en un par diferencial. Sin embargo, un acoplamiento más estrecho sí ayuda.

Para entender por qué, solo necesitamos observar cómo se dispersan los campos de una traza agresora de modo único en el espacio. Debido a que los campos disminuyen con la distancia desde la traza, la traza más cercana en el par diferencial recibe más ruido que la traza más lejana.

Aquí, yo argumentaría que la solución óptima es mover la traza de modo único más lejos del par diferencial, en lugar de solo acercar más el par. Si esa no es una solución viable, entonces un espaciado más pequeño dará el mismo efecto, pero con una mayor pérdida a lo largo del par diferencial.

EMI de modo diferencial

Existe otro mito que dice que los pares diferenciales no emiten EMI. Esto también es falso; si fuera cierto, entonces no podríamos medir el diafonía diferencial. Sin embargo, la EMI radiada por un par diferencial está en modo diferencial, por lo que es menos intensa que el ruido emitido por una traza de extremo único o un grupo de trazas. Esta es una razón por la cual puedes transmitir datos seriales de alta velocidad a través de un enlace diferencial sin fallar constantemente en las pruebas de EMC: simplemente hay menos ruido que si los datos se enviaran a través de una única traza.

Debido a que la EMI diferencial solo sería una preocupación al enrutar datos seriales a través de un par diferencial largo, podrías sentirte tentado a acercar el par para contrarrestar el ruido. De nuevo, diría que las pérdidas (pérdida de inserción) son mucho más importantes en esta situación. En un enlace largo donde necesitarías usar pares diferenciales, las pérdidas dominarán el comportamiento del canal, y no necesitas tener un espaciado extremadamente ajustado. Asegúrate de simular y medir el comportamiento de tu canal, preferiblemente con una placa de prueba, antes de finalizar el diseño de tu par diferencial para usarlo con tu estándar de señalización particular.

Conversión de Modo y Reflexiones en la Ajuste de Longitud

Existen dos problemas relacionados con la integridad de la señal creados por el acoplamiento estrecho dentro de una estructura de ajuste de longitud::

• Conversión de modo en estructuras de ajuste de longitud
• Reflexiones en la entrada de una estructura de ajuste de longitud

Estos dos puntos representan un compromiso: las estructuras de ajuste de longitud son necesarias para sincronizar las señales en fase, pero crean reflexiones y conversión de modo.

Cuando una señal diferencial viaja a lo largo de una estructura de ajuste de longitud, experimentará cierta conversión de modo, lo que significa que el ruido de modo común puede convertirse en ruido de modo diferencial, y viceversa. Cuando hay un menor espaciado entre los pares, habrá una mayor desviación de la impedancia de modo impar a lo largo del trazo con longitud ajustada, así como un cambio correspondientemente mayor en el retraso de propagación en cada trazo.

El resultado es que la estructura de ajuste de longitud causa que cierto ruido de modo común aparezca como ruido de modo diferencial en el receptor, lo que podría entonces violar el margen de ruido del receptor.

• Aprende más sobre la conversión de modo en estructuras de ajuste de longitud
• Aprende más sobre la impedancia de las estructuras de ajuste de longitud

¿Por qué enfocarse en el Espaciado y el Ajuste de Longitud?

En el pasado distante, antes de que los diseñadores tuvieran acceso a una abundancia de herramientas CAD y software profesional para diseño electrónico, aplicar emparejamiento de longitud y espaciado consistente a un par diferencial era un proceso que consumía mucho tiempo. Hoy en día, los diseñadores de PCB están mimados con herramientas CAD que hacen extremadamente fácil aplicar secciones de emparejamiento de longitud a un par diferencial. Las reglas de diseño que se interfazan con tus herramientas de enrutamiento también hacen extremadamente fácil aplicar un espaciado consistente entre cada traza en un par diferencial, incluyendo espaciados muy ajustados si es necesario.

Aunque puede que no sea necesario dentro de los límites de los métodos de terminación tradicionales y los objetivos de impedancia diferencial, vemos algunas razones para usar un pequeño espaciado:

• Reducción de la emisión de ruido en modo diferencial y del diafonía diferencial
• Mayor probabilidad de que el ruido sea recibido como ruido de modo común verdadero
• Menor ruido en modo diferencial emitido entre el par

Sin embargo, contrario a la creencia popular, optar por el espaciado más pequeño posible no es necesario para la terminación, y aumentará las pérdidas a lo largo de la longitud del par. Luego, una vez que apliques la sintonización de longitud a lo largo de un par estrechamente espaciado, verás una mayor conversión de modo y desviación de impedancia cuando se aplique la sección de sintonización de longitud. La terminación es un tema largo que presentaré en algunos videos y en otro artículo.Se puede encontrar un resumen en este artículo, y la conclusión principal es que la terminación trata al par diferencial como dos señales de extremo único, no en términos de alguna impedancia diferencial.

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