Devriez-vous utiliser un espacement et un couplage serrés ou lâches pour les paires différentielles ?

Nous recevons beaucoup de questions sur l'impédance des pistes et comment calculer la bonne taille de piste pour atteindre une impédance spécifique dans un PCB fabriquable. Tout aussi important que de déterminer une largeur de piste appropriée pour une piste à terminaison unique est la détermination d'un espacement approprié entre deux pistes dans une paire différentielle. La question est donc, à quelle proximité les pistes d'une paire différentielle doivent-elles être l'une de l'autre, et le besoin d'un « couplage serré » est-il vraiment nécessaire ?

Ce qui est intéressant avec cette directive de conception, c'est qu'elle est probablement la seule règle empirique de conception de PCB qui est la plus mal définie. Qu'entend-on exactement par « couplage lâche » ou « couplage serré » en termes numériques ? Si vous demandez à 10 différents gourous de l'intégrité des signaux, vous obtiendrez 20 réponses différentes !

Dans cet article, nous voulons nous rapprocher d'une description réaliste du couplage serré vs couplage lâche en termes d'espacement des paires différentielles, ainsi que comment l'espacement des paires différentielles affecte des éléments comme l'impédance, le bruit en mode différentiel, la réception du bruit en mode commun et la terminaison. Comme nous le verrons, l'accent mis sur le couplage serré (quelle que soit sa signification supposée) a ses mérites, mais il est souvent cité comme nécessaire pour de mauvaises raisons.

Comment l'espacement des paires différentielles affecte l'intégrité du signal

Examinons chacune des dimensions que j'ai mentionnées ci-dessus pour voir exactement où l'espacement des paires différentielles joue un rôle, et comment définir la valeur appropriée.

Impédance

Le paramètre principal dans une paire différentielle qui est affecté par l'espacement est l'impédance. L'impédance d'une paire différentielle dépend de la capacité propre et de l'inductance propre de chaque trace, ainsi que de la capacité mutuelle et de l'inductance mutuelle entre chaque trace. Cela signifie que la formule pour l'impédance typique d'une paire différentielle doit être décomposée en l'impédance impaire et l'impédance différentielle, qui sont définies comme suit :

L'inductance mutuelle et la capacité mutuelle existent pour donner aux deux paires une inductance totale et une capacité totale équivalentes, respectivement. Dans l'équation ci-dessus, nous avons ignoré les pertes (R et G dans l'équation d'impédance de la ligne de transmission), mais c'est acceptable, le point ici est de prêter attention à l'espacement.

• Plus vous placez les paires proches l'une de l'autre, plus l'impédance différentielle diminue car L_M et C_M augmentent. À la fois L_M et C_M tendent vers zéro à mesure que l'espacement tend vers l'infini.

En d'autres termes, si vous concevez pour atteindre une cible d'impédance différentielle (comme spécifié dans une norme ou déterminé à partir de mesures), alors vous ne pouvez pas mettre les deux paires trop proches l'une de l'autre, sinon vous ne respecterez pas la cible d'impédance car l'impédance différentielle sera trop faible. Cependant, un espacement plus petit concentrera les champs électriques et magnétiques entre les deux pistes le long de la route, ce qui augmente les pertes.

L'inductance mutuelle et la capacité mutuelle entre deux pistes ne sont pas faciles à calculer, et il n'existe pas de formules fermées simples que vous pouvez utiliser. Il existe quelques formules plus longues dans certains articles de recherche, mais elles sont très longues et peu maniables. Une meilleure option est d'utiliser un éditeur de stackup avec un calculateur intégré. Ce type d'utilitaire utilise normalement un solveur de champ électromagnétique pour déterminer l'impédance d'une paire différentielle, plutôt que de déterminer la capacité mutuelle et l'inductance.

Suppression du Bruit en Mode Commun

Les paires différentielles sont parfois décrites comme étant immunisées contre le diaphonie, bien qu'il ne soit pas toujours précisé si cela concerne les signaux à extrémité unique ou les signaux différentiels. Quoi qu'il en soit, la vérité est que les paires différentielles ne sont pas immunisées contre la diaphonie, que ce soit à partir de sources de bruit en mode différentiel ou de sources de bruit en mode commun. Pour en savoir plus sur le premier cas, vous pouvez lire cet article sur la diaphonie différentielle.

Que dire du bruit en mode commun qui provient du diaphonie ? Si vous observez une trace agressive en mode simple qui induit un signal dans une paire en mode différentiel à proximité, la réalité est que vous ne pouvez jamais garantir une suppression totale du bruit en mode commun, peu importe à quel point vous routez les deux traces de la paire différentielle de manière rapprochée. Cependant, un couplage plus serré aide.

Pour comprendre pourquoi, il suffit de regarder comment les champs d'une trace agressive en mode simple se propagent dans l'espace. Comme les champs diminuent avec la distance par rapport à la trace, la trace la plus proche dans la paire différentielle reçoit plus de bruit que la trace la plus éloignée.

Ici, je soutiendrais que la solution optimale est de déplacer la trace en mode simple plus loin de la paire différentielle, plutôt que de simplement rapprocher la paire. Si cela n'est pas une solution viable, alors un espacement plus petit donnera le même effet, mais avec une perte plus élevée le long de la paire différentielle.

EMI en mode différentiel

Il existe un autre mythe selon lequel les paires différentielles n'émettent pas d'EMI. Cela est également faux ; si c'était vrai, alors nous ne serions pas en mesure de mesurer la diaphonie différentielle. Cependant, l'EMI rayonnée par une paire différentielle est en mode différentiel, donc elle est moins intense que le bruit émis par une trace unique ou un groupe de traces. C'est une raison pour laquelle vous pouvez transmettre des données sérielles à très haute vitesse à travers un lien différentiel sans échouer constamment aux tests CEM : il y a simplement moins de bruit que ce qui serait observé si les données étaient envoyées à travers une seule trace.

Parce que l'EMI différentielle ne serait une préoccupation que lors du routage de données sérielles sur une longue paire différentielle, vous pourriez être tenté de rapprocher la paire pour contrer le bruit. Je dirais à nouveau que les pertes (perte d'insertion) sont bien plus importantes dans cette situation. Dans un lien long où vous auriez besoin d'utiliser des paires différentielles, les pertes domineront le comportement du canal, et vous n'avez pas besoin d'avoir un espacement extrêmement serré. Assurez-vous de simuler et de mesurer le comportement de votre canal, de préférence avec une carte de test, avant de finaliser la conception de votre paire différentielle pour une utilisation avec votre norme de signalisation particulière.

Conversion de mode et réflexions dans l'ajustement de longueur

Il existe deux problèmes liés à l'intégrité du signal créés par un couplage serré à l'intérieur d'une structure d'ajustement de longueur :

• Conversion de mode dans les structures d'ajustement de longueur
• Réflexions à l'entrée d'une structure d'ajustement de longueur

Ces deux points représentent un compromis : les structures d'ajustement de longueur sont nécessaires pour synchroniser les signaux, mais elles créent des réflexions et des conversions de mode.

Lorsqu'un signal différentiel se déplace le long d'une structure d'ajustement de longueur, il subira une certaine conversion de mode, ce qui signifie que le bruit en mode commun peut se convertir en bruit en mode différentiel, et vice versa. Lorsque l'espacement entre les paires est plus petit, il y aura une plus grande déviation de l'impédance en mode impair le long de la trace ajustée en longueur, ainsi qu'un changement correspondant plus important dans le délai de propagation sur chaque trace.

Le résultat est que la structure d'ajustement de longueur provoque l'apparition de certains bruits en mode commun comme des bruits en mode différentiel au niveau du récepteur, ce qui pourrait alors violer la marge de bruit du récepteur.

• En savoir plus sur la conversion de mode dans les structures d'ajustement de longueur
• En savoir plus sur l'impédance des structures d'ajustement de longueur

Pourquoi se concentrer sur l'espacement et l'ajustement de longueur ?

Dans le passé lointain, avant que les concepteurs n'aient accès à une multitude d'outils CAO et de logiciels professionnels de conception électronique, l'application de l'appariement de longueur et d'un espacement constant à une paire différentielle était un processus long et fastidieux. Aujourd'hui, les concepteurs de PCB sont gâtés avec des outils CAO qui rendent extrêmement facile l'application de sections d'appariement de longueur à une paire différentielle. Les règles de conception qui interfacent avec vos outils de routage rendent également très facile l'application d'un espacement constant entre chaque trace dans une paire différentielle, y compris un espacement très serré si nécessaire.

Bien que cela puisse ne pas être nécessaire dans le cadre des méthodes de terminaison traditionnelles et des objectifs d'impédance différentielle, nous voyons quelques raisons d'utiliser un petit espacement :

• Réduction de l'émission de bruit en mode différentiel et du diaphonie différentielle
• Plus grande probabilité que le bruit soit reçu comme un véritable bruit en mode commun
• Moins de bruit en mode différentiel émis entre la paire

Toutefois, contrairement à une croyance répandue, opter pour l'espacement le plus petit possible n'est pas nécessaire pour la terminaison, et cela augmentera les pertes le long de la paire. Puis, une fois que vous appliquez l'ajustement de longueur le long d'une paire étroitement espacée, vous observerez une plus grande conversion de mode et une déviation d'impédance lorsque la section d'ajustement de longueur est appliquée. La terminaison est un long débat que je présenterai dans certaines vidéos et dans un autre article.Un aperçu peut être trouvé dans cet article, et le principal à retenir est que la terminaison traite la paire différentielle comme deux signaux à extrémité unique, non en termes d'une certaine impédance différentielle.

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