Un guide sur la conversion de mode, ses causes et ses solutions

Les paires différentielles sont le plus souvent discutées en termes d'impédance et de tolérance de correspondance de longueur, toutes deux avec l'objectif d'assurer une terminaison appropriée au niveau du récepteur et la suppression du bruit de mode commun. Sur les interconnexions, telles que les connexions carte-à-carte ou les arrangements de lignes de transmission en cascade, vous avez une métrique de conformité CEM importante qui est parfois négligée. Il s'agit de la conversion de mode, qui peut être visualisée dans une mesure de paramètre S pour la transmission de signal en mode différentiel et en mode commun.

Le terme « conversion de mode » est le plus souvent discuté dans le contexte de l'optique, en particulier lorsque les ondes se réfractent lorsqu'elles se transmettent à travers l'interface entre deux milieux, où l'onde peut changer d'une onde non polarisée vraie (TEM) à une onde partiellement ou entièrement polarisée. Dans la conception électronique, et particulièrement dans la conception d'interconnexion à haute vitesse, la conversion de mode doit être limitée en dessous d'une certaine valeur pour assurer que les signaux peuvent être lus et interprétés par un récepteur. Dans cet article, nous examinerons un bref aperçu de la conversion de mode dans la conception à haute vitesse avec quelques exemples issus de normes différentielles communes.

Aperçu de la Conversion de Mode

Le terme « conversion de mode » fait référence à la conversion d'un signal différentiel en un signal de mode commun. Cela simplifie un peu les choses ; ce n'est pas que toute la puissance contenue dans un signal différentiel est convertie en mode commun. Au lieu de cela, la partie convertie du signal peut être répartie sur le domaine fréquentiel et est observée dans un type spécifique de mesure de paramètre S. En essence, le signal différentiel a perdu une partie de son énergie lorsqu'il a été converti en signal de mode commun, ainsi le signal différentiel peut ne pas être récupérable si trop de signal est converti en mode commun.

Vous pourriez être tenté de demander : pourquoi devrions-nous nous soucier de la conversion de mode et du bruit de mode commun résultant ? Un récepteur différentiel n'élimine-t-il pas le bruit de mode commun ? Il y a deux réponses à cela à considérer :

• Les courants de mode commun conduisent à des EMI rayonnées en mode commun (rayonnement dipolaire), ce qui peut causer des échecs aux tests d'émissions lorsque c'est très fort. Cela se produirait pendant le taux de montée, donc vous auriez une émission forte pendant la transmission de signal à haute vitesse sur une paire différentielle imprimée/connecteur ou un câble.
• Les récepteurs peuvent supprimer la plupart des bruits en mode commun qu'ils reçoivent, mais pas la totalité, donc les courants en mode commun doivent être limités. Encore une fois, cela est important pendant le taux de transition ; la partie en mode commun du signal peut être beaucoup plus forte que ce que le récepteur peut supprimer de manière fiable lorsque la conversion de mode est élevée.

Paramètres S en mode mixte

La conversion de mode est décrite mathématiquement en utilisant des paramètres S en mode mixte. Ces paramètres S mélangent les paramètres S pour le signal différentiel d'entrée et le bruit en mode commun résultant dans une seule matrice. De même, la même matrice décrit également les paramètres S pour tout signal en mode commun d'entrée (ou bruit) et le signal en mode différentiel résultant vu à la sortie. La définition de la matrice des paramètres S en mode mixte est :

Ici, le "D" fait référence au signal différentiel, et le "C" fait référence au signal en mode commun. Les numéros dans les indices ont leur signification habituelle se référant aux ports 1 et 2 d'une interconnexion de paires différentielles.

Ici, nous avons une matrice avec 16 paramètres, mais tous ne sont pas utilisés en pratique. Les paramètres spécifiques dont vous avez besoin peuvent être déterminés en décodant le nommage des paramètres dans la matrice :

En d'autres termes, si vous souhaitez déterminer la quantité de bruit en mode commun observée au port 2 d'une paire différentielle lorsque le port 1 reçoit uniquement un signal différentiel, cette quantité est égale au produit (SCD21)(a1d). En utilisant ces paramètres S mesurés, il est alors possible de déterminer la quantité de puissance en mode commun ou en mode différentiel transférée à un récepteur ou injectée dans un câble.

Limites de conversion de mode

Quelle quantité de ce signal en mode commun est-elle excessive ? La réponse est qu'il ne faut pas beaucoup de bruit en mode commun se propageant d'une E/S vers un câble pour provoquer un échec EMC. Le courant spécifique est une fonction de la fréquence et dépendra de la norme spécifique avec laquelle vous travaillez. Par exemple, les produits de classe A et de classe B de la FCC auront des limites différentes de celles des produits CISPR ; le tableau ci-dessous résume ces limites pour les produits de classe A et de classe B de la FCC (crédit accordé au regretté Henry Ott pour la compilation des données).

Limites de courant en mode commun sur le câblage pour les produits de classe A et classe B de la FCC.
* Basé sur les limites d'émission conduites
** Basé sur les limites d'émission rayonnées

Pour mettre les choses en perspective, les courants impliqués dans la transmission de données via Ethernet ou LVDS classique sont de l'ordre des mA, donc nous avons des niveaux très bas de courant en mode commun autorisés comparés au courant du signal différentiel.

En termes de limites des normes de signalisation, cela varie selon la norme et l'endroit où la mesure est prise. Notez que les limites des normes de signalisation définissent la performance du matériel ; elles ne définissent pas les limites d'émissions nécessaires pour réussir les tests de CEM. Par exemple, dans l'USB 3, la limite de conversion de mode dans les assemblages de câbles accouplés est de -20 dB sur toute la bande passante du signal spécifié, donc l'ensemble de l'interconnexion pourrait permettre beaucoup de bruit en mode commun et fonctionner quand même selon les spécifications. Notez que « fonctionner selon les spécifications » et la conformité FCC/CISPR ne sont pas nécessairement la même chose.

Causes de la Conversion de Mode

L'asymétrie dans le routage sur le PCB ou dans le câblage utilisé dans un câble provoquera une conversion de mode dans les interconnexions différentielles. Une autre façon de penser cela n'est pas qu'elle crée un nouveau bruit de mode commun là où il n'y en avait pas, mais que l'asymétrie retarde l'arrivée du croisement zéro vers les bords ou la création d'un délai de phase entre les deux signaux sur chaque trace. En conséquence, il est plus difficile pour le récepteur différentiel de supprimer complètement le bruit de mode commun sur toute la bande passante du signal.

Un effet secondaire est qu'une asymétrie permet le couplage de certains bruits qui peuvent exister seulement sur un conducteur mais pas sur un autre, ou qui peuvent ne pas se coupler entièrement aux deux conducteurs avec une magnitude égale. Encore une fois, les courants de mode commun ne s'annuleront pas complètement car ils peuvent ne pas être réellement en mode commun, donc du bruit apparaîtra sur le signal reçu.

Les asymétries apparaissent de la manière suivante :

• Variations de géométrie (longueur ou désaccord de section transversale)
• Constante diélectrique et constante de propagation, comme celles provenant du tissage de fibre
• Variations d'impédance, possiblement dues aux points ci-dessus ou à des parasites
• Segments de retard couplés, tels que le routage différentiel en serpentin (voir l'exemple ci-dessous)
• Injection de signal d'un système déséquilibré (sur un PCB) vers un système équilibré (câble à paires torsadées)

Sur le PCB, cela est lié au routage, aux inhomogénéités des matériaux, ou à des discontinuités plus simples comme les interruptions de plan de masse dans des paires différentielles faiblement couplées.

Chacun de ces effets créera une conversion de mode dans différentes gammes de fréquences, qui peut être observée dans les données de paramètres S. Par exemple, les contributions du tissage de fibre et de la capacité parasite apparaîtront à des fréquences plus élevées, tandis que les variations de géométrie pourraient créer une conversion de mode large bande. Puisqu'il s'agit d'une mesure dans le domaine fréquentiel, nous utilisons les paramètres S pour quantifier la conversion de mode (mesurée en dB en comparant la force du signal différentiel et du mode commun).

Exemple de Mesure de Conversion de Mode

Voici un exemple basique de mesure de conversion de mode. Pour un canal donné, nous définissons deux types de paramètres S qui sont utilisés pour quantifier la conversion de mode :

• Conversion différentielle vers mode commun (SCD21) : Nous injectons un signal de test en mode différentiel et mesurons le signal de sortie en mode commun.
• Conversion mode commun vers différentiel (SDC21) : Nous injectons un signal de test en mode commun et mesurons le signal de sortie en mode différentiel.

L'exemple ci-dessous montre la conversion de mode créée à travers le domaine fréquentiel par des sections de routage en serpentin utilisées pour retarder les paires différentielles dans un bus parallèle.

L'interprétation en utilisant les paramètres S est logique, et elle s'applique aux canaux sur un PCB ou à un réseau en cascade qui utiliserait une interconnexion de type (PCB + I/O + câble + I/O + PCB). La méthodologie s'applique également aux connecteurs de carte à carte, où le connecteur joue un rôle similaire à celui d'un câble. Peu importe comment l'interconnexion est structurée, le point important est le suivant :

Gigue vs. Conversion de Mode

Étant donné que l'asymétrie dans le temps de propagation et la conversion de mode sont liées, et que la gigue produit de l'asymétrie, il serait raisonnable de se demander, pouvons-nous prédire la gigue à partir des mesures de conversion de mode ? En fait, vous pouvez faire exactement cela avec une formule simple en utilisant vos données de paramètres S. La relation de base est :

Cette équation décrit le jitter de trace à trace et elle devrait vous indiquer quelque chose d'important : le jitter est une fonction de la fréquence de test ! Le membre de droite dans l'équation ci-dessus est une fonction de la fréquence, et remarquez que la fréquence angulaire apparaît dans le membre de gauche. Il suffit d'insérer vos données S-paramètre à chaque fréquence de test et vous pouvez calculer le jitter à cette fréquence spécifique. Puisque nous traitons avec des paires différentielles, nous quantifions normalement le T-jitter comme une fraction de l'intervalle unitaire (UI) car c'est ce que vous liriez à partir d'un diagramme de l'œil.

À titre d'exemple, cela peut être observé dans les mesures de câbles, comme dans le graphique ci-dessous. Ce graphique montre les mesures de conversion de mode dans un câble twinax de 28 AWG. Nous pouvons voir que le décalage total est une fonction de la longueur du câble (comme prévu), ainsi qu'une fonction de la fréquence. La composante fréquence peut sembler peu surprenante, jusqu'à ce que vous vous rappeliez que le désalignement de phase dû à la conversion de mode est également une fonction de la fréquence, donc nous nous attendrions au même pour le décalage.

À retenir : Maintenir la Symétrie

Tout cela devrait illustrer la nécessité d'assortir la longueur entre les deux côtés d'une paire différentielle et la symétrie dans le routage. Quand j'écris « symétrie dans le routage », je ne veux pas nécessairement dire « couplage serré » comme cela est souvent prescrit dans les directives de base de conception de PCB à haute vitesse. Je veux plutôt dire ce qui suit :

• La constante de propagation pour chaque trace dans la paire devrait être la même tout au long de la route, que les traces soient côte à côte sur toute la distance ou non.
• L'impédance en mode simple de chaque trace devrait être constante tout au long de la route, que les traces soient côte à côte sur toute la distance ou non.
• Toute variation d'impédance/constante de propagation (par exemple, due à la capacité parasite) devrait apparaître de manière égale sur les deux traces de la paire. L'asymétrie dans ce domaine est connue pour être l'un des principaux contributeurs à la conversion de mode.

Concernant le dernier point, il y a un excellent article que je recommande aux lecteurs de consulter pour voir comment les vias de masse peuvent affecter la conversion de mode :

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. « Conversion de Mode Différentiel à Mode Commun sur les Vias de Signal Différentiel en Raison de Configurations Asymétriques de Vias GND. » In Compliance, 1er juin 2014.

Comme je l'ai mentionné auparavant (tout comme d'autres experts), le soi-disant "couplage serré" n'est pas une exigence pour la transmission de signaux différentiels tant que les pistes sont conçues de manière appropriée, bien qu'il apporte certains avantages du point de vue du bruit. C'est également le seul moyen de garantir qu'une spécification d'impédance différentielle est respectée sans un plan de masse à proximité. Réfléchissez bien à la manière dont vous souhaitez router une paire différentielle et définir son impédance, car cela aidera à prévenir la conversion de mode. De loin, la manière la plus simple de s'assurer que vous atteignez tous ces objectifs est de simplement prendre son courage à deux mains et de router le tout avec une symétrie imposée et un couplage serré. Heureusement, les outils de CAO modernes rendent tout cela très facile.

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