Cosa sono le coppie differenziali e i segnali differenziali?

Le coppie differenziali (differential pair) rappresentano un modo innovativo per instradare flussi di bit ad alta velocità, in cui ogni fronte di transizione ha generalmente un tempo di salita molto rapido. I protocolli differenziali utilizzati nella progettazione ad alta velocità sono il cardine di molti standard di segnale comuni con acronimi familiari. USB, HDMI, Ethernet e molti altri sono tutti standard di segnale instradati come coppie differenziali e richiedono una progettazione e un routing delle tracce accurati. In passato, ciò richiedeva di apportare molte correzioni manuali alle lunghezze della coppia differenziale per garantire che soddisfacessero gli obiettivi di lunghezza e le tolleranze di impedenza. Tuttavia, i software CAD più recenti semplificano la codifica di questi requisiti come regole di progettazione per garantire un routing accurato.

In questo articolo forniremo una panoramica di base del comportamento dei segnali differenziali (differential signal) e della funzione delle coppie differenziali. Questi tipi di segnale sono standard nei protocolli di segnale ad alta velocità, ma potrebbero apparire in dispositivi più semplici, quindi è importante capire come vengono instradati in un layout PCB. Forniremo anche alcune definizioni più specifiche dell'impedenza della coppia differenziale e di come il rumore funzioni in una coppia differenziale, e ci auguriamo che i nuovi progettisti possano farsi un'idea più precisa dell'importanza dei protocolli differenziali.

Le basi del segnale differenziale

Le coppie differenziali sono molto semplici: sono composte da due tracce, instradate fianco a fianco, che portano segnali di uguale grandezza e polarità opposta su ogni traccia. Nei protocolli digitali ad alta velocità, i dati vengono inviati su tracce single-ended con controllo dell'impedenza in un circuito stampato; ogni singola traccia è progettata per avere un'impedenza specifica. Questo si ottiene utilizzando un approccio standard di progettazione delle tracce a impedenza controllata, in cui la larghezza necessaria per raggiungere l'impedenza di traccia di destinazione viene determinata dopo la progettazione dello stackup e della selezione dello strato per il routing delle coppie differenziali.

Il segnale differenziale non è necessariamente costituito da tipi speciali di segnali. Tutte le coppie differenziali utilizzate per trasportare dati digitali continueranno a trasportare informazioni binarie o magari più bit contemporaneamente con un protocollo più avanzato come PAM4. La differenza tra una traccia digitale standard e i segnali differenziali è che un segnale differenziale viene ripristinato e interpretato in modo diverso.

Se guardiamo il segnale che si propaga su una coppia differenziale, abbiamo veramente due segnali con polarità opposta, ma con la stessa grandezza. Il livello di segnale letto da un ricevitore differenziale è solo la differenza tra le tensioni dei due segnali, come mostrato nella figura sottostante.

Nell'immagine sopra abbiamo una coppia differenziale che viene indirizzata su un piano di massa uniforme. Si presume che questa coppia sia instradata su un layer superficiale come le microstrisce a impedenza controllata, sebbene le stesse idee si applichino alle stripline su un layer interno. Un componente che funziona con segnali differenziali richiede che la differenza tra questi due segnali venga utilizzata per interpretare un livello logico nel ricevitore. Si noti che i singoli livelli di segnale (V1 e V2) sono ancora definiti rispetto al riferimento GND, che è generalmente posizionato come un piano al di sotto delle tracce. In altre parole, si potrebbe misurare il segnale rispetto alla massa su ciascun lato della coppia con un oscilloscopio, se lo si desidera.

Questo metodo di trasferimento dei dati digitali (come coppia di segnali a polarità opposta su una coppia di tracce è standard in protocolli ad alta velocità come USB, Ethernet, clock DDR e linee di dati, oltre ad alcuni standard di segnale digitale proprietari.

Vantaggi delle coppie differenziali e del segnale differenziale

Quindi cos'è che ha reso le coppie differenziali e il segnale differenziale così efficaci e quali sono le problematiche? Alcuni vantaggi e svantaggi importanti sono riassunti nella tabella seguente:

Esaminiamo i vari vantaggi e svantaggi in un PCB e come si manifestano nel routing e nel layout.

Soppressione del rumore in modalità comune

La capacità di sopprimere il rumore in modalità comune senza richiedere alcun filtraggio è esclusiva delle coppie differenziali. La soppressione del rumore in modalità comune deriva dal fatto che la differenza tra i due segnali viene misurata su una coppia differenziale, che, in determinate condizioni, può annullare qualsiasi rumore sulle coppie differenziali.

L'immagine seguente mostra schematicamente come si ottiene la soppressione del rumore in modalità comune in una coppia differenziale. Se il rumore viene immesso nel ricevitore entro la tolleranza di skew appropriata, può essere annullato dal ricevitore.

Qui occorre prestare attenzione che lo stesso livello di rumore sia ricevuto su ciascun lato della coppia. Questo può accadere su una coppia differenziale che viene instradata nello spazio libero attraverso un cavo, quindi non è un evento impossibile. Tuttavia, ciò non significa che le coppie differenziali siano immuni alla diafonia su un PCB. Se, ad esempio, una traccia single-ended è vicina a una coppia differenziale, può accoppiare un impulso di diafonia in entrambe le coppie attraverso il campo magnetico generato durante la commutazione. Tuttavia, l'impulso di diafonia non verrà ricevuto allo stesso modo da entrambe le tracce nella coppia; l'intensità del campo magnetico. Il risultato è che il rumore non verrà cancellato dal ricevitore e alcuni rumori potrebbero rimanere su un lato della coppia. Assicurarsi che venga applicata una spaziatura appropriata tra le tracce single-ended e le coppie differenziali per impedire la ricezione di rumore eccessivo su ciascun lato della coppia.

EMI emesse da coppie differenziali

Uno dei grandi vantaggi dei segnali differenziali è che emettono un basso rumore. Quando le due tracce della coppia sono più vicine, i campi magnetici generati durante la commutazione sono uguali e opposti. Finché i due segnali sono in fase e della stessa ampiezza, i campi magnetici che generano si contrasteranno a vicenda. Da notare che il campo generato non è zero ovunque, bensì solo lungo la linea centrale tra la coppia. Tuttavia, il campo sarà basso e indurrà meno rumore nelle tracce single-ended in prossimità.

Questo è un altro motivo per cui le coppie differenziali sono preferibili per i canali ad alta velocità di dati. I protocolli seriali che operano a velocità di trasmissione dati elevate (Gbps e superiori) avranno fronti di transizione molto veloci su ogni bit. Pertanto, ogni traccia della coppia emetterà forti EMI attraverso il campo magnetico durante questi fronti di transizione veloci (eventi ad alto dI/dt). Con questi segnali veloci, la capacità parassita rispetto ai conduttori vicini può essere problematica, così come la larghezza di banda del segnale potrebbe estendersi a frequenze GHz elevate.

Sebbene le coppie differenziali possano produrre una diafonia inferiore in un segnale single-ended vicino, possono produrre diafonia in modalità differenziale in una coppia differenziale vicina. In questo caso è importante ottimizzare con cura la spaziatura tra le coppie differenziali. Sebbene le coppie differenziali siano relativamente immuni al rumore in modalità comune, non sono immuni al rumore in modalità differenziale. Tieni presente questo aspetto durante il routing delle coppie differenziali e lascia una distanza sufficiente tra le coppie per garantire un basso accoppiamento di rumore tra di esse.

Immunità agli offset di massa

Il motivo principale per cui le coppie differenziali vengono utilizzate in lunghi collegamenti che potrebbero incrociarsi tra due schede è la loro immunità agli offset della massa. Un offset della massa in CA o in CC può essere considerato come un rumore in modalità comune: si tratta di un disturbo nel segnale che colpisce ciascun lato della coppia con la stessa fase e la stessa grandezza. Pertanto, può essere eliminato anche dal ricevitore differenziale. Quando il percorso del segnale attraversa uno spazio tra due diverse regioni del terreno, c'è una discontinuità di impedenza tra i due componenti. È possibile che un segnale single-ended dalla sorgente non abbia la stessa tensione al carico perché i potenziali della massa in ciascuna regione sono diversi. Di conseguenza, il ricevitore leggerà la tensione corretta trasportata dal segnale perché il livello del segnale differenziale non dipende dalla differenza di potenziale tra due diverse regioni GND.

Se hai creato correttamente il tuo PCB per supportare componenti e routing ad alta velocità, dovresti avere solo un potenziale della massa uniforme in tutto il progetto tramite l'impiego di un piano di massa uniforme nel progetto. Sebbene i segnali differenziali siano in grado di sopportare una distanza della massa tra diversi terreni di un PCB, i progetti che funzionano a frequenze/velocità sufficientemente elevate da richiedere coppie differenziali devono essere indirizzati in ogni caso su un piano di massa uniforme.

Progettazione e instradamento delle coppie differenziali

Poiché i segnali differenziali nei protocolli di elaborazione standard e per alcune periferiche funzionano a edge rate veloci, generalmente richiedono il controllo dell'impedenza per impedire la cosiddetta onda riflessa dall'estremità di carico di una coppia differenziale. Tutte le coppie differenziali utilizzate nella progettazione high speed PCB richiedono la regolazione dei due lati della coppia per garantire che ogni segnale di polarità arrivi al ricevitore allo stesso tempo. Ecco alcuni suggerimenti di progettazione di base per lavorare con le coppie differenziali:

• Impedenza single-ended e differenziale: gli standard di segnale differenziale specificheranno alcuni requisiti di impedenza single-ended e differenziale che devono essere soddisfatti per prevenire i riflessi e garantire il massimo trasferimento di potenza nel componente del ricevitore.
• Corrispondenza di ritardo o lunghezza: le lunghezze delle piste nella coppia devono essere abbinate entro la tolleranza di inclinazione definita all'interno dello standard di segnale, sebbene questo possa essere piuttosto generoso e per alcuni standard ammonti a diversi mm.
• Spaziatura costante: la mia visione è che la spaziatura tra le coppie deve essere impostata sul valore minimo che non viola i limiti di impedenza. Il motivo è che in questo modo si garantisce che l'EMI in modalità comune emesso sia il più basso possibile e che il rumore in modalità comune ricevuto su una coppia, come la diafonia, abbia quasi la stessa entità su ogni pista della coppia.

Per i segnali ad alta velocità esistono altre considerazioni, quali la larghezza di banda del segnale e le perdite lungo la lunghezza del collegamento, tutti elementi da considerare quando si selezionano materiali e componenti. I migliori strumenti di instradamento possono aiutarti a rispettare questi requisiti assicurandoti che le tue impostazioni di progettazione siano codificate come regole, e disporrai di strumenti automatizzati che forniscono calcoli di impedenza e applicano sezioni di corrispondenza della lunghezza nel tuo PCB.

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