Paires différentielles, signaux différentiels : que faut-il savoir ?

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, cela impliquait de nombreuses corrections manuelles sur la longueur des paires différentielles pour s'assurer que les objectifs de longueur et les tolérances d'impédance étaient respectées. En revanche, 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 aidons à comprendre les principes de base du comportement des signaux différentiels ainsi que la fonction des paires différentielles.

Ces types de signaux constituent la norme dans les protocoles de transmission 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 sur le schéma de montage d'un PCB.

Nous fournirons également des définitions plus précises du routage de l'impédance des paires différentielles et comment le bruit fonctionne dans celles-ci. Nous espérons que cela permettra aux nouveaux concepteurs de se faire une meilleure idée de l'importance des protocoles différentiels.

Principes de base de la transmission différentielle

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.

Dans les protocoles numérique haut débit, les données sont envoyées sur des pistes asymétriques 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.

La transmission différentielle n'est pas nécessairement composée d'un type 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 que celui-ci 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.

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 ruban sur couche interne.

Un composant fonctionnant sur la base d'une transmission 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 GND, qui est généralement placée comme un 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 la transmission différentielle, et quels sont les défis à relever ? Le tableau ci-dessous résume certains avantages et inconvénients importants :

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

Suppression du bruit de mode commun des paires différentielles

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

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.

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 asymétrique à proximité du routage d'une paire différentielle, elle peut coupler une impulsion de diaphonie dans les deux paires via le 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 puisque 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.

EMI émises par les paires différentielles

L'un des principaux avantages des signaux différentiels est qu'ils émettent peu de bruit. Lorsque les deux pistes de la paire sont rapprochées, les champs magnétiques qu'elles génèrent lors de la commutation sont égauxs et opposés. Tant que les deux signaux sont en phase et de même amplitude, les champs magnétiques générés 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 électrique parasite par rapport aux conducteurs situés à proximité peut être problématique et la largeur de bande du signal peut atteindre des fréquences GHz élevées.

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 un routage de 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 des paires différentielles

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 dans la même amplitude. Par conséquent, celui-ci peut également être éliminé par le récepteur différentiel.

Lorsque le signal en déplacement traverse un espace entre deux masses différentes, il y a une discontinuité d'impédance entre les deux composants. Par conséquent, 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.

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'un routage de 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 pour travailler avec des paires différentielles :

• Impédance asymétrique et différentielle : les normes de transmission 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 EMI de mode commun émises sont aussi faibles que possible et que le bruit de mode commun reçu sur une paire à cause de la diaphonie a pratiquement la même amplitude sur chaque piste.

En ce qui concerne les signaux rapides, d'autres considérations comme la largeur de bande du signal et les pertes 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.

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