Una guida alla conversione di modalità, alle sue cause e alle soluzioni

Le coppie differenziali sono spesso discusse in termini di impedenza e tolleranza di abbinamento della lunghezza, entrambi con l'obiettivo di garantire una corretta terminazione al ricevitore e la soppressione del rumore in modo comune. Sugli interconnettori, come le connessioni da scheda a scheda o gli arrangiamenti di linee di trasmissione in cascata, si ha una metrica di conformità EMC importante che a volte viene trascurata. Questa è la conversione di modo, che può essere visualizzata in una misurazione dei parametri S per la trasmissione del segnale differenziale e in modo comune.

Il termine "conversione di modo" è più spesso discusso nel contesto dell'ottica, in particolare quando le onde rifrangono mentre trasmettono attraverso l'interfaccia tra due mezzi, dove l'onda può cambiare da un'onda vera non polarizzata (TEM) a un'onda parzialmente o completamente polarizzata. Nel design elettronico, e in particolare nel design di interconnessioni ad alta velocità, la conversione di modo deve essere limitata al di sotto di un certo valore per garantire che i segnali possano essere letti e interpretati in un ricevitore. In questo articolo, daremo un'occhiata a una breve panoramica della conversione di modo nel design ad alta velocità con alcuni esempi da standard differenziali comuni.

Panoramica della Conversione di Modo

Il termine "conversione di modo" si riferisce alla conversione di un segnale differenziale in un segnale in modo comune. Questo semplifica un po' le cose; non è che tutta la potenza contenuta in un segnale differenziale viene convertita in modo comune. Invece, la parte convertita del segnale può essere distribuita attraverso il dominio di frequenza ed è osservata in un tipo specifico di misurazione dei parametri S. In sostanza, il segnale differenziale ha perso parte della sua energia poiché è stato convertito in un segnale in modo comune, quindi il segnale differenziale potrebbe non essere recuperabile se troppa parte del segnale viene convertita nella modalità comune.

Potresti essere tentato di chiedere: perché dovremmo preoccuparci della conversione di modo e del conseguente rumore in modo comune? Un ricevitore differenziale non elimina il rumore in modo comune? Ci sono due risposte da considerare a questo proposito:

• Le correnti in modo comune portano a EMI irradiate in modo comune (radiazione dipolare), che possono causare fallimenti nei test di emissione quando sono molto forti. Questo accadrebbe durante il tasso di transizione, quindi si avrebbe una forte emissione durante la trasmissione di segnali ad alta velocità su una coppia differenziale stampata/connettore o un cavo.
• I ricevitori possono sopprimere la maggior parte del rumore in modo comune che ricevono, ma non tutto, quindi le correnti in modo comune dovrebbero essere limitate. Ancora una volta, questo è importante durante il tasso di transizione; la parte in modo comune del segnale può essere molto più forte di quanto il ricevitore possa sopprimere in modo affidabile quando la conversione di modo è alta.

Parametri S in Modo Misto

La conversione di modo è descritta matematicamente utilizzando i parametri S in modo misto. Questi parametri S mescolano i parametri S per il segnale differenziale in ingresso e il rumore in modo comune risultante in una singola matrice. Allo stesso modo, la stessa matrice descrive anche i parametri S per qualsiasi segnale in modo comune in ingresso (o rumore) e il segnale in modo differenziale risultante visto in uscita. La definizione della matrice dei parametri S in modo misto è:

Qui la "D" si riferisce al segnale differenziale, e la "C" si riferisce al segnale in modo comune. I numeri nei pedici hanno il loro solito significato riferendosi alle porte 1 e 2 di un collegamento a coppia differenziale.

Qui abbiamo una matrice con 16 parametri, ma non tutti questi sono utilizzati nella pratica. I parametri specifici di cui hai bisogno possono essere determinati decodificando la denominazione dei parametri nella matrice:

In altre parole, se si vuole determinare la quantità di rumore in modo comune osservata al porto 2 di una coppia differenziale quando al porto 1 viene fornito solo un segnale differenziale, tale quantità è uguale al prodotto (SCD21)(a1d). Utilizzando questi parametri S misurati, è quindi possibile determinare la quantità di potenza in modo comune o differenziale trasferita a un ricevitore o immessa su un cavo.

Limiti della Conversione di Modo

Quanto di questo segnale in modo comune è troppo? La risposta è che non ci vuole molto rumore in modo comune che si propaga da un I/O a un cavo per causare un fallimento EMC. La corrente specifica è una funzione della frequenza e dipenderà dallo specifico standard con cui si sta lavorando. Ad esempio, i prodotti FCC Classe A e Classe B avranno limiti diversi rispetto ai prodotti CISPR; la tabella sottostante riassume questi limiti per i prodotti FCC Classe A e Classe B (il merito della compilazione dei dati va al compianto Henry Ott).

Limiti di corrente in modalità comune sui cavi per prodotti FCC Classe A e Classe B.
* Basato sui limiti di emissione condotta
** Basato sui limiti di emissione irradiata

Solo per dare una prospettiva, le correnti coinvolte nella trasmissione dati su Ethernet o LVDS classico sono a livelli di mA, quindi abbiamo livelli molto bassi di corrente in modalità comune consentiti rispetto alla corrente del segnale differenziale.

Per quanto riguarda i limiti degli standard di segnalazione, questo varia con lo standard e dove viene effettuata la misurazione. Notare che i limiti degli standard di segnalazione definiscono le prestazioni hardware; non definiscono i limiti di emissione necessari per superare i test EMC. Ad esempio, in USB 3, il limite di conversione di modalità negli assemblaggi di cavi accoppiati è di -20 dB in tutta la larghezza di banda del segnale specificata, quindi l'intera interconnessione potrebbe consentire molto rumore in modalità comune e funzionare ancora secondo le specifiche. Notare che "funzionare secondo le specifiche" e la conformità FCC/CISPR non sono necessariamente la stessa cosa.

Cause della Conversione di Modalità

L'asimmetria nel routing sul PCB o nel cablaggio utilizzato in un cavo causerà la conversione di modalità negli interconnettori differenziali. Un altro modo di pensare a questo non è che crea nuovo rumore in modo comune dove non ce n'era, ma che l'asimmetria ritarda l'arrivo del passaggio a zero verso i bordi o la creazione di un ritardo di fase tra i due segnali su ogni traccia. Di conseguenza, è più difficile per il ricevitore differenziale sopprimere completamente il rumore in modo comune in tutto il bandwidth del segnale.

Un effetto collaterale è che un'asimmetria consente l'accoppiamento di alcuni rumori che potrebbero esistere solo su un conduttore ma non su un altro, o che potrebbero non accoppiarsi completamente ad entrambi i conduttori con uguale magnitudine. Ancora una volta, le correnti in modo comune non si annulleranno completamente poiché potrebbero non essere veramente in modo comune, quindi potrebbe apparire del rumore sul segnale ricevuto.

Le asimmetrie sorgono nei seguenti modi:

• Variazioni geometriche (lunghezza o disadattamento della sezione trasversale)
• Costante dielettrica e costante di propagazione, come quelle provenienti dalla trama della fibra
• Variazioni di impedenza, possibilmente dovute ai punti sopra citati o a componenti parassiti
• Segmenti di ritardo accoppiati, come il routing serpentinato differenziale (vedi l'esempio sotto)
• Iniezione di segnale da un sistema sbilanciato (su un PCB) a un sistema bilanciato (cavo a coppia intrecciata)

Sul PCB, ciò è relativo al routing, alle inomogeneità dei materiali, o a discontinuità più semplici come interruzioni nel piano di massa in coppie differenziali scarsamente accoppiate.

Ognuno di questi effetti creerà una conversione di modo in differenti intervalli di frequenza, che può essere osservata nei dati degli S-parametri. Ad esempio, i contributi della trama della fibra e della capacità parassita appariranno a frequenze più alte, mentre le variazioni geometriche potrebbero creare una conversione di modo a banda larga. Poiché questa è una misurazione nel dominio della frequenza, utilizziamo gli S-parametri per quantificare la conversione di modo (misurata in dB confrontando la forza del segnale differenziale e in modo comune).

Esempio di Misurazione della Conversione di Modo

Il seguente mostra un esempio base di una misurazione della conversione di modo. Per un dato canale, definiamo due tipi di S-parametri che sono usati per quantificare la conversione di modo:

• Conversione differenziale a modo comune (SCD21): Inseriamo un segnale di prova in modo differenziale e misuriamo il segnale di uscita in modo comune.
• Conversione da modo comune a differenziale (SDC21): Inseriamo un segnale di prova in modo comune e misuriamo il segnale di uscita in modo differenziale.

L'esempio sottostante mostra la conversione di modalità creata attraverso il dominio delle frequenze da sezioni di routing serpentine utilizzate per ritardare le coppie differenziali in un bus parallelo.

L'interpretazione utilizzando i parametri S ha senso, e si applica a canali su un PCB o a una rete in cascata che troverebbe utilizzo in un tipo di interconnessione (PCB + I/O + cavo + I/O + PCB). La metodologia si applica anche ai connettori da scheda a scheda, dove il connettore svolge un ruolo simile a quello di un cavo. Non importa come è strutturato l'interconnessione, il punto importante è questo:

Jitter vs. Conversione di Modalità

Dato che l'asimmetria nel tempo di propagazione e la conversione di modalità sono collegate, e il jitter produce asimmetria, sarebbe ragionevole chiedersi, possiamo prevedere il jitter dalle misurazioni della conversione di modalità? Infatti, puoi fare esattamente questo con una formula semplice utilizzando i tuoi dati dei parametri S. La relazione di base è:

Questa equazione descrive il jitter da traccia a traccia e dovrebbe dirti qualcosa di importante: il jitter è una funzione della frequenza di test! Il RHS nella equazione sopra è una funzione della frequenza, e nota che la frequenza angolare appare nel LHS. Semplicemente inserisci i tuoi dati S-parametro a ciascuna frequenza di test e puoi calcolare il jitter a quella specifica frequenza. Poiché stiamo trattando con coppie differenziali, normalmente quantifichiamo il T-jitter come una frazione dell'intervallo unitario (UI) poiché questo è ciò che leggeresti da un diagramma ad occhio.

Come esempio, ciò può essere visto nelle misurazioni dei cavi, come nel grafico mostrato sotto. Questo grafico mostra le misurazioni della conversione di modo in un cavo twinax da 28 AWG. Possiamo vedere che lo skew totale è una funzione della lunghezza del cavo (come previsto), così come una funzione della frequenza. La componente di frequenza potrebbe non sorprendere, fino a che non si ricorda che il disallineamento di fase dovuto alla conversione di modo è anch'esso una funzione della frequenza, quindi ci aspetteremmo lo stesso per lo skew.

La Conclusione: Mantenere la Simmetria

Tutto ciò dovrebbe illustrare la necessità di abbinare la lunghezza tra i due lati di una coppia differenziale e la simmetria nel routing. Quando scrivo "simmetria nel routing", non intendo necessariamente "accoppiamento stretto" come spesso prescritto nelle linee guida di base per la progettazione di PCB ad alta velocità. Piuttosto, intendo quanto segue:

• La costante di propagazione per ogni traccia nella coppia dovrebbe essere la stessa per tutta la lunghezza del percorso, indipendentemente dal fatto che le tracce siano una accanto all'altra per tutta la distanza.
• L'impedenza in modo singolo di ogni traccia dovrebbe essere consistente per tutta la lunghezza del percorso, indipendentemente dal fatto che le tracce siano una accanto all'altra per tutta la distanza.
• Qualsiasi variazione di impedenza/costante di propagazione (ad es., a causa della capacità parassita) dovrebbe apparire ugualmente su entrambe le tracce nella coppia. L'asimmetria in questo ambito è nota per essere uno dei principali contributori alla conversione di modo.

Riguardo all'ultimo punto, c'è un ottimo articolo che consiglio ai lettori di consultare per vedere come le vie di terra possono influenzare la conversione di modo:

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. “Conversione da Modo Differenziale a Modo Comune su Vie di Segnale Differenziali a Causa di Configurazioni Asimmetriche delle Vie di GND.” In Compliance, 1 giugno 2014.

Come ho già menzionato in precedenza (così come altri esperti), il cosiddetto "accoppiamento stretto" non è un requisito per la trasmissione di segnali differenziali finché le tracce sono progettate in modo appropriato, anche se porta alcuni vantaggi dal punto di vista del rumore. È anche l'unico modo per garantire che una specifica di impedenza differenziale sia rispettata senza un piano di massa vicino. Rifletti attentamente su come vuoi instradare una coppia differenziale e definire la sua impedenza poiché ciò aiuterà a prevenire la conversione di modo. Di gran lunga, il modo più semplice per assicurarti di raggiungere tutti questi obiettivi è semplicemente affrontare la situazione e instradare tutto con simmetria forzata e accoppiamento stretto. Fortunatamente, i moderni strumenti CAD rendono tutto questo molto facile.

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