Que sont les paires différentielles et les signaux différentiels ?

Zachariah Peterson
|  Créé: March 6, 2022  |  Mise à jour: March 7, 2022
Que sont les paires différentielles et les signaux différentiels ?

Les paires différentielles offrent un nouveau moyen de transférer les flux de données haut débit, où chaque transition de front a généralement un temps de montée très rapide. Les protocoles différentiels utilisés dans les conceptions haute vitesse sont le pilier de nombreuses normes de signalisation communément utilisées et aux acronymes familiers. Les normes USB, HDMI, Ethernet, et bien d'autres s'appuient toutes sur un routage par paires différentielles et nécessitent une conception et un routage minutieux des pistes. Auparavant, de nombreuses corrections manuelles étaient nécessaires au niveau des longueurs des paires différentielles pour s'assurer qu'elles respectaient les objectifs de longueur et les tolérances d'impédance. Toutefois, les logiciels de CAO récents permettent d'encoder facilement ces exigences sous forme de règles de conception afin de garantir un routage précis.

Dans cet article, nous vous proposons une présentation de base du comportement des signaux différentiels et de la fonction des paires différentielles. Ces types de signaux constituent la norme dans les protocoles de signalisation haut débit, mais ils peuvent être présents dans des dispositifs plus simples. Il est donc important de comprendre la façon dont leur routage est effectué dans la topologie d'un PCB. Nous donnerons également des définitions plus précises de l'impédance des paires différentielles et de la fonction du bruit dans une paire différentielle. Nous espérons que cela permettra aux nouveaux concepteurs de se faire une meilleure idée de l'importance des protocoles différentiels.

Principes de base des paires différentielles et des signaux différentiels

Les paires différentielles sont très simples : elles sont composées de deux pistes, routées côte à côte, et elles acheminent des signaux d'amplitude égale et de polarité opposée sur chaque piste. Les données sont envoyées sur des pistes simples dans un PCB à impédance contrôlée ; chaque piste est conçue de façon à avoir une impédance spécifique. Pour ce faire, on utilise une approche standard de conception de pistes à impédance contrôlée, où la largeur requise pour atteindre une impédance de piste cible est déterminée après la conception de l'empilage et la sélection de la couche de routage des paires différentielles.

Les signaux différentiels ne sont pas nécessairement des types de signaux spéciaux. Toutes les paires différentielles utilisées pour transférer les données numériques continueront de transmettre des informations binaires, voire plusieurs bits à la fois avec un protocole plus avancé comme PAM4. La différence entre une piste numérique standard et un signal différentiel est qu'un signal différentiel est récupéré et interprété d'une manière différente.

Si nous examinons le signal se propageant sur une paire différentielle, nous avons réellement deux signaux de polarité opposée, mais de même amplitude. Le niveau du signal qui est lu par un récepteur différentiel représente uniquement la différence entre les tensions des deux signaux. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous.

Signaux différentiels
Signaux différentiels d'une paire différentielle, reportés sur un plan de masse de PCB.

Dans l'image ci-dessus, nous voyons une paire différentielle routée sur un plan de masse uniforme. On suppose que celle-ci est routée sur une couche de surface sous forme de ligne microruban à impédance contrôlée, bien que le même principe s'applique aux lignes microruban sur couche interne. Un composant fonctionnant sur la base d'une signalisation différentielle requiert l'utilisation de la différence entre ces deux signaux pour interpréter un niveau logique dans le récepteur. Notez que les niveaux de signaux individuels (V1 et V2) sont toujours définis par rapport à la référence de masse, qui est généralement placée en tant que plan sous les pistes. Autrement dit, si vous le vouliez vraiment, vous pourriez mesurer le signal relatif à la masse de chaque côté de la paire à l'aide d'un oscilloscope.

Cette méthode de transfert des données numériques (sous forme de paire de signaux de polarité opposée sur une paire de pistes) est la norme dans les protocoles haut débit comme USB, Ethernet, les lignes d'horloge ou de données des mémoires DDR, et certaines normes de signalisation numérique exclusives. Alors, qu'est-ce qui a fait le succès des paires différentielles et de signalisation différentielle, et quels sont les défis à relever ? Le tableau ci-dessous résume certains avantages et inconvénients importants :

Catégorie

Avantages

Inconvénients

CEM

- Suppression du bruit en mode commun

- Elles émettent un bruit de mode différentiel, qui est beaucoup moins intense que le bruit de mode commun

- La suppression du bruit de mode commun est imparfaite et dépend de l'élimination du décalage temporel

IEM rapides

- Grâce à leur faibles interférences électromagnétiques, les paires différentielles peuvent s'adapter à des débits de données extrêmement élevés

- Les débits rapides exigent une égalisation du temps de propagation plus précise

Décalage de masse

- Les paires différentielles peuvent résister aux décalages de masse lorsque leur routage est effectué sur de longues liaisons entre deux cartes

- Affecte la terminaison choisie, bien que la terminaison sur puce élimine ce problème de la liste des préoccupations des concepteurs de PCB

Examinons ces différents avantages et inconvénients dans un PCB, et voyons de quelle façon ils se présentent dans le routage et la topologie.

Suppression du bruit de mode commun

La capacité à supprimer le bruit de mode commun sans nécessiter de filtrage est une caractéristique unique des paires différentielles. La suppression du bruit de mode commun est due au fait que la différence entre les deux signaux est mesurée sur une paire différentielle, ce qui peut annuler tout bruit sur les paires différentielles dans certaines conditions.

L'image ci-dessous montre schématiquement le processus de suppression du bruit de mode commun dans une paire différentielle. Si le bruit est introduit dans le récepteur en respectant le décalage temporel approprié, il peut être annulé par le récepteur.

Bruit de mode commun des signaux différentiels
Le bruit de mode commun reçu sur une paire différentielle peut être annulé s'il a une amplitude égale de chaque côté de la paire.

Le problème est que le même niveau de bruit doit être reçu de chaque côté de la paire. Cela peut se produire sur une paire différentielle qui est routée sur un câble à travers un espace libre, donc ce n'est pas un scénario impossible. Toutefois, cela ne signifie pas que les paires différentielles sont protégées contre la diaphonie sur un circuit imprimé. Si vous avez, par exemple, une piste simple à proximité d'une paire différentielle, elle peut coupler une impulsion de diaphonie dans les deux paires par le biais du champ magnétique généré pendant la commutation. Toutefois, l'impulsion de diaphonie ne sera pas reçue de manière égale par les deux pistes de la paire ; l'intensité du champ magnétique varie. Le résultat est que le bruit ne sera pas annulé au niveau du récepteur, et qu'une partie du bruit peut rester d'un côté de la paire. Veillez à respecter un espacement approprié entre les signaux asymétriques et les paires différentielles afin d'éviter la réception d'un bruit excessif de chaque côté de la paire.

IEM émises par la paire

L'un des principaux avantages des paires différentielles est qu'elles émettent peu de bruit. Lorsque les deux pistes de la paire sont plus rapprochées, les champs magnétiques qu'elles génèrent lors de la commutation sont identiques et opposés. Tant que les deux signaux sont en phase et de même amplitude, les champs magnétiques qu'ils génèrent se neutralisent. Notez que le champ généré n'est pas nul partout ; cela est vrai uniquement le long de la ligne centrale entre la paire. Toutefois, le champ sera faible et induira moins de bruit dans les pistes asymétriques à proximité.

C'est une autre raison pour laquelle les paires différentielles sont préférables pour les canaux à haut débit de données. Les protocoles série à haut débit (Gbps et plus) présentent des transitions de front très rapides sur chaque bit. Par conséquent, chaque piste de la paire émet de fortes interférences électromagnétiques par le biais du champ magnétique pendant ces transitions de front rapides (événements dI/dt élevés). Avec ces signaux à fréquence de front rapide, la capacité parasite par rapport aux conducteurs situés à proximité peut être problématique et la largeur de bande du signal peut atteindre des fréquences GHz élevées.

Champs magnétiques de signaux différentiels
Les paires différentielles émettent des champs magnétiques identiques et opposés qui se neutralisent mutuellement et peuvent produire une diaphonie inductive plus faible qu'un signal asymétrique avec le même dI/dt.

Même si les paires différentielles peuvent produire une diaphonie plus faible dans un signal asymétrique a proximité, elles peuvent produire une diaphonie en mode différentiel dans une paire différentielle à proximité. Il est donc important d'optimiser soigneusement l'espacement entre les paires différentielles. Bien que les paires différentielles soient relativement protégées contre le bruit de mode commun, elles ne sont pas protégées contre le bruit de mode différentiel. Gardez cela à l'esprit lorsque vous effectuez le routage de vos paires différentielles et prévoyez un espacement suffisant entre les paires pour garantir un faible couplage du bruit entre elles.

Immunité aux décalages de masse

La principale raison de l'utilisation des paires différentielles dans les longues liaisons susceptibles de se croiser entre deux cartes est leur immunité aux décalages de masse. Un décalage de masse en courant alternatif ou continu peut être considéré comme un bruit de mode commun ; il s'agit d'une perturbation du signal qui affecte chaque côté de la paire dans la même phase et la même amplitude. Par conséquent, celui-ci peut également être éliminé par le récepteur différentiel. Dès lors, le récepteur lira la tension correcte transmise par le signal, car le niveau du signal différentiel ne dépend pas de la différence de potentiel entre deux zones GND différentes.

Lorsque le signal transmis traverse un espace entre deux zones de masse différentes, cela entraîne une discontinuité d'impédance entre les deux composants. Il est possible qu'un signal asymétrique provenant de la source n'ait pas la même tension à la charge parce que les potentiels de masse de chaque région sont différents.
Lorsque le signal transmis traverse un espace entre deux zones de masse différentes, cela entraîne une discontinuité d'impédance entre les deux composants. Il est possible qu'un signal asymétrique provenant de la source n'ait pas la même tension à la charge parce que les potentiels de masse de chaque région sont différents.

Si vous avez créé votre PCB convenablement pour qu'il puisse prendre en charge des composants et un routage haute vitesse, l'utilisation d'un plan de masse uniforme devrait permettre d'avoir uniquement un potentiel de masse uniforme dans toute la conception. Bien que les paires différentielles puissent tolérer un décalage de masse entre différentes masses dans un PCB, les conceptions qui fonctionnent à des fréquences/vitesses suffisamment élevées pour nécessiter des paires différentielles nécessitent dans tous les cas un routage sur un plan de masse uniforme.

Conception et routage de paires différentielles

Étant donné que les signaux différentiels des protocoles informatiques standard et de certains périphériques fonctionnent à des débits élevés, ils nécessitent généralement un contrôle de l'impédance pour empêcher toute réflexion d'onde sur l'extrémité de charge d'une paire différentielle. Toutes les paires différentielles utilisées dans la conception de PCB haute vitesse nécessitent un ajustement des deux côtés de la paire pour s'assurer que chaque signal de polarité atteint le récepteur en même temps. Voici quelques conseils de conception de base concernant le travail avec des paires différentielles :

  • Impédance asymétrique et différentielle : les normes de signalisation différentielle précisent certaines exigences en matière d'impédance asymétrique et différentielle. Elles doivent être respectées pour éviter les réflexions et assurer un transfert maximal de l'alimentation dans le composant récepteur.
  • Réglage des longueurs ou du délai: les longueurs des pistes de la paire doivent être mises en correspondance en respectant le décalage temporel défini dans la norme de signalisation, même si celui-ci peut être assez large et atteindre plusieurs mm pour certaines normes.
  • Espacement cohérent : à mon avis, l'espacement entre les paires doit être fixé à la valeur minimale permettant de ne pas déroger aux contraintes d'impédance. En effet, cela permet de s'assurer que les IEM de mode commun émises sont aussi faibles que possible et que le bruit de mode commun reçu sous forme diaphonie sur une paire a pratiquement la même amplitude sur chaque piste de la paire.

En ce qui concerne les signaux rapides, d'autres considérations comme la largeur de bande du signal et les pertes et sur la longueur de la liaison, doivent être prises en compte lors du choix des matériaux et des composants. Les outils de routage les plus performants peuvent vous aider à respecter ces exigences en garantissant l'encodage de vos paramètres de conception sous la forme de règles de conception. Vous disposerez ainsi d'outils automatisés qui fournissent des calculs d'impédance et appliquent des sections de correspondance en longueur dans votre PCB.

Pour concevoir des paires différentielles et effectuer leur routage tout en garantissant l'intégrité des signaux différentiels, utilisez l'ensemble des fonctions de conception, de routage et de simulation offertes par Altium Designer®. Le moteur de règles de conception intégré et les outils de simulation en ligne vous offrent tout ce dont vous avez besoin pour vérifier le routage des paires différentielles pendant le routage des pistes de votre PCB. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre des fichiers à votre fabricant, la plateforme  Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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