Paires différentielles sans plan de masse : est-ce un problème ?

Les paires différentielles ont aidé à résoudre certains problèmes fondamentaux d'intégrité des signaux, et les outils de CAO modernes les rendent faciles à concevoir et à router. Cependant, les paires différentielles ne sont pas la solution à tous les problèmes d'intégrité des signaux, malgré leur utilité pour supprimer le bruit en mode commun à un récepteur de faible niveau. Il y a une question qui est toujours posée lorsqu'on discute du routage des paires différentielles : ces traces nécessitent-elles un plan de masse ?

Parfois, la réponse à cette question dépend de qui vous demandez et de l'exemple conceptuel que vous utilisez pour expliquer comment fonctionnent les paires différentielles. Comme la plupart des questions d'ingénierie auxquelles nous sommes confrontés sur ce blog et d'autres, il y a des éléments de vérité dans toutes les réponses que vous trouverez à cette question, et il est facile de sortir ces points de leur contexte. Examinons quand vous devez utiliser un plan de masse pour paires différentielles, et quand il est simplement une mauvaise idée de router des paires différentielles sans masse.

Qu'est-ce qu'un Plan de Masse pour Paires Différentielles, au Juste ?

Si vous voulez savoir quand il est approprié de router des paires différentielles sans masse, il est utile de savoir ce qu'un plan de masse fait et pourquoi il est important. D'abord, regardons ce qu'un plan de masse fait physiquement (au-delà d'être juste un gros conducteur en cuivre) :

• Capacité : Lorsqu'elle est associée à un plan de masse sur une couche adjacente, vous venez de créer un condensateur physiquement grand. Lorsque les deux plans sont proches (laminate mince entre les plans), vous obtenez une plus grande capacité interplan.
• Blindage : Un plan de masse fournit une grande source/puits de charge. La manière dont la charge est prélevée ou injectée dans un plan de masse est essentiellement sans importance. De plus, il fournit une charge image pour terminer les champs électriques pointant vers le plan.
• Point de référence unique : Idéalement, il fournit un potentiel de référence. En d'autres termes, il peut être utilisé pour fournir un point de référence pour toute mesure de tension, y compris les "mesures" de tension utilisées par les circuits intégrés pour enregistrer les niveaux logiques. Le signal de 3,3 V que vous mesurez à l'extrémité émettrice d'une interconnexion sans perte est raisonnablement assuré d'être vu comme 3,3 V à l'extrémité réceptrice.

Outre certaines autres fonctionnalités comme fournir un moyen simple de distribuer la chaleur et l'énergie à travers une carte, les plans de masse fournissent certaines fonctions électriques de base qui parfois ne sont pas discutées avant d'arriver à un cours d'électromagnétisme de niveau supérieur. Dans tous les cas, les deux derniers points sont importants pour les paires différentielles sans masse. Si vous réalisez correctement votre routage, vous pourriez ne pas avoir besoin de masse pour les paires différentielles.

Vos paires différentielles, plans de masse et niveaux de signal

La manière dont une paire différentielle dépend d'un plan de masse repose sur quelques facteurs et se rapporte aux parasitiques qui régissent l'impédance. Tout d'abord, examinons les parasitiques entre les paires différentielles. Toutes les paires différentielles présentent une petite quantité de capacité parasitaire entre elles, qui se combine à leur inductance parasitaire et à la capacité parasitaire native par rapport aux plans de masse.

Ces parasitiques produisent deux effets :

• La capacité mutuelle parasitaire et l'inductance mutuelle parasitaire fournissent un couplage entre les deux lignes de la paire, ce qui aide à déterminer leur impédance différentielle.
• La capacité parasitaire par rapport aux plans de référence permet à un courant de déplacement de se propager dans le plan de masse.

Ensemble, les parasitiques déterminent l'impédance différentielle de la paire, et l'impédance en mode impair (impédance en mode simple) d'une trace individuelle dans la paire.

Si il y a un courant de retour sous les pistes dans une paire différentielle (en supposant que nous parlons de la même manière que pour les pistes à extrémité unique), il se trouve très près sous la paire et approche zéro au point médian entre la paire. Pour les signaux à haute vitesse, on pourrait s'attendre à ce que la distribution de tout courant de retour sous la piste soit approximativement gaussienne. Ceci est montré dans le graphique dans l'image ci-dessous.

Ici, pour fournir un "chemin de retour", nous n'avons pas vraiment besoin d'un plan de masse. Imaginez si nous augmentions lentement la distance entre le plan de masse et les pistes dans la figure ci-dessus. Toutes les lignes de champ électrique émanant de la piste positive se termineraient à la piste négative. Cela explique la définition de l'impédance différentielle : c'est l'impédance entre les deux pistes due à leur couplage mutuel. Cela aide également à expliquer pourquoi les niveaux de signal dans une paire différentielle sont lus comme la différence entre les valeurs sur chaque piste.

C'est là que quelqu'un demandera : « Comment le courant passe-t-il de la trace positive à la trace négative ? Cela doit se faire à travers le CI ! » Étrangement, Lee Ritchey prétend connaître un manuel qui montre cette image spécifique sur la couverture. Plutôt que de demander par où passe le courant, je suggère aux ingénieurs de s'éloigner de cette idée selon laquelle le courant « coule » quelque part comme l'eau dans un tuyau.

Lorsqu'une onde est excitée à une extrémité de la trace, le champ électrique est excité par une certaine distribution de charge libre sur le conducteur. Le champ électrique d'un conducteur induit une polarisation dans le conducteur opposé, ce qui est perçu comme un courant de déplacement. À mesure que l'onde se propage le long d'une paire différentielle, ce déséquilibre de charge se propage également le long des deux paires. La vitesse à laquelle ce déséquilibre de charge se déplace le long de la trace est en effet un courant de retour. Notez qu'il y a également une contribution de l'inductance mutuelle, et la même explication s'applique.

Pourquoi utiliser un plan de masse pour les paires différentielles ?

Un point que tout le monde soulève concernant les traces à extrémité unique mais oublie avec les traces différentielles est le niveau d'isolation fourni par un plan de masse. En termes simples, un plan de masse proche des paires différentielles déforme les lignes de champ et les termine à la surface du plan. Si vous avez un routage de paires différentielles sur deux couches adjacentes, vous pouvez isoler les paires en mettant simplement un plan de masse entre les couches.

Cela mène à une autre raison d'utiliser un plan de masse : supprimer le diaphonie différentielle. Les lignes de champ illustrées ci-dessous expliquent pourquoi les paires différentielles peuvent induire une diaphonie dans une autre trace, y compris dans une autre paire différentielle. De chaque côté de la trace. Si vous lisez l'article que j'ai lié ci-dessus, vous verrez que des distances plus grandes entre une paire différentielle et son plan de masse augmenteront le niveau de diaphonie induite dans une autre trace (qu'elle soit à extrémité unique ou différentielle).

Cela est dû aux champs entourant chaque trace dans une paire différentielle, comme le montre l'image ci-dessous. Ici, le champ n'est pas nul aux bords d'une paire, ce qui signifie qu'il peut induire un bruit en mode commun ou différentiel dans une autre trace. En plus de l'isolation entre les couches, l'utilisation d'un plan de masse fournit également une isolation supplémentaire entre une paire différentielle et toute autre trace sur la même couche. Cela pourrait vous permettre de router les traces plus près les unes des autres.

Manque de masse et le problème de décalage de masse

Notez que, si vous prévoyez d'utiliser des paires différentielles sans terre tout en prévenant d'autres problèmes d'EMI, vous devez appliquer l'appariement de longueur afin que les signaux sur une paire différentielle arrivent au récepteur dans leur budget de temps. Cela est dû au fait que, lorsque des signaux non appariés arrivent au récepteur, leur différence est mesurée, mais toute discordance peut réduire la capacité de réduction en mode commun du récepteur. En termes de courant de retour dans toute référence proche, cela produirait techniquement une rafale de courant momentanée dans la région de terre couplée capacitivement la plus proche. Si la région de terre est éloignée des paires (c'est-à-dire, un plan éloigné ou le châssis), alors vous avez votre courte rafale électromagnétique qui peut rayonner, effectivement comme sa propre source de bruit en mode commun. Cependant, dans un sens pratique, cette radiation n'est pas tant une préoccupation sauf peut-être dans les PCBs densément emballés, dans ce cas, vous devriez de toute façon appliquer plus d'espace entre les composants susceptibles de provoquer du diaphonie.

L'avantage majeur de l'utilisation de paires différentielles est l'immunité aux décalages de masse. Les paires différentielles sont généralement immunisées contre les décalages de masse et ne nécessitent pas que les masses de chaque côté d'un lien différentiel soient reliées, par exemple, avec un câble blindé. Les décalages de masse ne posent problème que dans la signalisation à extrémité unique, car un décalage de masse modifiera le niveau du signal dans la carte. Cela peut être illustré schématiquement sur un PCB avec des plans de masse séparés, ou pour un long câble routé entre deux systèmes fermés comme montré ci-dessous.

Parce qu'une paire différentielle repose sur la mesure de la différence entre les signaux de chaque côté de la paire, le décalage de masse n'a pas d'importance dans ce lien. Bien que cela puisse ne pas être un problème sur un PCB avec un plan de masse uniforme, c'est un véritable problème sur de longs liens électriques utilisés pour joindre des équipements distants.

Selon la manière dont la terminaison est mise en œuvre et les écarts d'impédance entre chaque côté de la paire, la méthode réelle pour la compensation du décalage de masse est mise en œuvre avec une source de courant à une extrémité du lien (cela est intégré dans le récepteur). Avec la terminaison sur puce mise en œuvre dans les composants récepteurs et émetteurs différentiels modernes, vous n'avez pas vraiment à vous en soucier. Votre travail en tant que concepteur est de vous assurer que vous atteignez les cibles d'impédance requises et de minimiser le déséquilibre en dessous des limites autorisées pour votre interface particulière.

Qu'est-ce qui détermine l'impédance s'il n'y a pas de masse ?

Pour une trace unique, l'impédance caractéristique dépend du rapport largeur de trace sur épaisseur diélectrique. Si vous avez un microstrip et augmentez la distance à la masse à une valeur très grande, l'impédance caractéristique de la trace augmentera logarithmiquement jusqu'à des valeurs très élevées. Alors, comment l'impédance d'une paire différentielle reste-t-elle à une valeur fixe s'il n'y a pas de plan de masse et que l'impédance caractéristique de chaque trace devient très grande ?

• La réponse réside dans l'espacement entre les pistes de la paire. L'objectif d'impédance différentielle, ainsi que l'impédance en mode simple de chaque piste, sont maintenus en gardant constant l'espacement entre les deux pistes. Cela établit l'impédance en mode simple ET l'impédance différentielle à la valeur cible, même en l'absence de plan de masse !

Pour un espacement donné, l'impédance en mode simple de chaque piste sera réglée sur l'impédance en mode impair en raison du couplage entre les deux pistes. L'impédance de la piste qui affecte la propagation du signal sur chaque piste de la paire est l'impédance en mode impair, et non l'impédance caractéristique. Cela devrait expliquer le rôle des câbles qui transportent des signaux différentiels ; le couplage entre eux maintient l'impédance de chaque fil individuel à la valeur en mode impair requise, et non la présence d'un quelconque plan de masse à proximité (ceci est totalement arbitraire dans les câbles non blindés sans conducteur de terre).

Si vous tracez un circuit au-dessus d'un espace sans masse puis de nouveau au-dessus d'un plan de masse, que se passera-t-il ? Selon la taille de l'espace et la distance jusqu'au plan, vous pourriez observer une discontinuité d'impédance. Vous devez vous assurer que les impédances des pistes sont adaptées dans chaque section, et que l'impédance d'entrée est invisible pour éviter les réflexions. Assurez-vous de prendre cela en compte dans votre calculateur d'impédance et d'empilement.

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