Przewodnik po konwersji trybów, ich przyczynach i rozwiązaniach

Pary różnicowe są najczęściej omawiane pod kątem ich impedancji i tolerancji dopasowania długości, oba z celem zapewnienia odpowiedniego zakończenia na odbiorniku i tłumienia szumów wspólnych. W połączeniach międzyelementowych, takich jak połączenia płytka-płytka czy kaskadowe układy linii transmisyjnych, istnieje ważny wskaźnik zgodności z EMC, który czasami jest pomijany. Jest to konwersja trybu, którą można zobrazować w pomiarze parametrów S dla transmisji sygnałów różnicowych i wspólnych.

Termin „konwersja trybu” jest najczęściej omawiany w kontekście optyki, szczególnie gdy fale ulegają załamaniu podczas przechodzenia przez interfejs między dwoma ośrodkami, gdzie fala może zmienić się z prawdziwej fali nie spolaryzowanej (TEM) na częściowo lub całkowicie spolaryzowaną. W projektowaniu elektroniki, a szczególnie w projektowaniu szybkich połączeń międzyelementowych, konwersja trybu musi być ograniczona poniżej pewnej wartości, aby zapewnić możliwość odczytu i interpretacji sygnałów na odbiorniku. W tym artykule przyjrzymy się krótkiemu przeglądowi konwersji trybu w projektowaniu wysokich prędkości z kilkoma przykładami z powszechnych standardów różnicowych.

Przegląd Konwersji Trybu

Pojęcie "konwersji trybu" odnosi się do przekształcenia sygnału różnicowego w sygnał wspólny. To trochę upraszcza sprawę; nie chodzi o to, że cała moc zawarta w sygnale różnicowym jest przekształcana na tryb wspólny. Zamiast tego, przekształcona część sygnału może być rozproszona w dziedzinie częstotliwości i obserwowana w specyficznym typie pomiaru parametru S. W istocie, sygnał różnicowy stracił część swojej energii, ponieważ został przekształcony w sygnał wspólny, więc sygnał różnicowy może nie być odzyskiwalny, jeśli zbyt duża część sygnału zostanie przekształcona w tryb wspólny.

Możesz być skłonny zapytać: dlaczego w ogóle powinniśmy przejmować się konwersją trybu i wynikającym z niej szumem wspólnym? Czy odbiornik różnicowy nie eliminuje szumu wspólnego? Na to należy rozważyć dwie odpowiedzi:

• Prądy wspólnego trybu prowadzą do promieniowania EMI wspólnego trybu (promieniowanie dipolowe), które może powodować niepowodzenia w testach emisji, gdy jest bardzo silne. Dzieje się to podczas szybkości narastania, więc miałbyś silną emisję podczas szybkiego przesyłania sygnału przez drukowaną parę różnicową/złącze lub kabel.
• Odbiorniki mogą tłumić większość szumów wspólnych, które odbierają, ale nie wszystkie, dlatego prądy wspólne powinny być ograniczone. Ponownie, jest to ważne podczas szybkości narastania sygnału; część wspólna sygnału może być znacznie silniejsza niż to, co odbiornik może niezawodnie stłumić, gdy konwersja trybów jest wysoka.

Mieszane parametry S

Konwersja trybów jest opisana matematycznie za pomocą mieszanych parametrów S. Te parametry S mieszają parametry S dla wejściowego sygnału różnicowego i wynikającego szumu wspólnego w jedną macierz. Podobnie, ta sama macierz opisuje również parametry S dla dowolnego wejściowego sygnału wspólnego (lub szumu) i wynikającego sygnału różnicowego widzianego na wyjściu. Definicja macierzy mieszanych parametrów S jest następująca:

Tutaj "D" odnosi się do sygnału różnicowego, a "C" do sygnału wspólnego. Numery w indeksach dolnych mają swoje zwykłe znaczenie odnoszące się do portów 1 i 2 połączenia pary różnicowej.

Tutaj mamy macierz z 16 parametrami, ale nie wszystkie z nich są używane w praktyce. Konkretne parametry, których potrzebujesz, można określić, dekodując nazewnictwo parametrów w macierzy:

Innymi słowy, jeśli chcesz określić ilość wspólnego szumu widocznego na porcie 2 pary różnicowej, gdy port 1 otrzymuje tylko sygnał różnicowy, ta ilość jest równa iloczynowi (SCD21)(a1d). Korzystając z tych zmierzonych parametrów S, można następnie określić ilość mocy w trybie wspólnym lub różnicowym przekazywanej do odbiornika lub umieszczanej na kablu.

Ograniczenia konwersji trybów

Ile tego sygnału wspólnego jest za dużo? Odpowiedź brzmi, że nie potrzeba wiele wspólnego szumu propagującego z I/O do kabla, aby spowodować awarię EMC. Konkretny prąd jest funkcją częstotliwości i będzie zależał od konkretnego standardu, z którym pracujesz. Na przykład produkty FCC Class A i Class B będą miały inne limity niż produkty CISPR; poniższa tabela podsumowuje te limity dla produktów FCC Class A i Class B (uznanie należy się zmarłemu Henry'emu Ottowi za zebranie danych).

Limit prądów wspólnych w okablowaniu dla produktów klasy FCC Class A i Class B.
* Na podstawie limitów emisji przewodzonej
** Na podstawie limitów emisji promieniowanej

Dla porównania, prądy zaangażowane w transmisję danych przez Ethernet czy klasyczny LVDS są na poziomie mA, więc mamy do czynienia z bardzo niskimi poziomami dozwolonego prądu wspólnego w porównaniu do prądu sygnału różnicowego.

Jeśli chodzi o limity standardów sygnalizacji, różnią się one w zależności od standardu i miejsca pomiaru. Należy zauważyć, że limity standardów sygnalizacji definiują wydajność sprzętu; nie określają one limitów emisji wymaganych do przejścia testów EMC. Na przykład, w USB 3, limit konwersji trybu w złączach kablowych wynosi -20 dB na całej określonej szerokości pasma sygnału, więc całe połączenie może dopuścić dużo szumu wspólnego i nadal funkcjonować zgodnie ze specyfikacją. Należy zauważyć, że "funkcjonowanie zgodnie ze specyfikacją" i zgodność z FCC/CISPR to niekoniecznie to samo.

Przyczyny konwersji trybu

Asymetria w trasowaniu na PCB lub w użytych przewodach kablowych spowoduje konwersję trybu w różnicowych połączeniach międzyzłączowych. Innym sposobem myślenia o tym jest nie to, że tworzy nowy szum wspólny, gdzie go nie było, ale że asymetria opóźnia przybycie przecięcia zerowego w kierunku krawędzi lub tworzenie opóźnienia fazy między dwoma sygnałami na każdej ścieżce. W rezultacie, trudniej jest różnicowemu odbiornikowi w pełni tłumić szum wspólny na przestrzeni całego pasma sygnału.

Skutkiem ubocznym jest to, że asymetria pozwala na sprzężenie pewnego szumu, który może istnieć tylko na jednym przewodniku, ale nie na drugim, lub który może nie sprzęgać się w pełni z oboma przewodnikami o równej wielkości. Ponownie, prądy wspólnego trybu nie zostaną w pełni anulowane, ponieważ mogą nie być w rzeczywistości w trybie wspólnym, więc pewien szum pojawi się na sygnale odbieranym.

Asymetrie powstają w następujących przypadkach:

• Wariacje geometryczne (niedopasowanie długości lub przekroju)
• Stała dielektryczna i stała propagacji, takie jak w przypadku tkaniny światłowodowej
• Wariacje impedancji, możliwe z powodu wyżej wymienionych punktów lub z powodu pasożytniczych
• Sprzężone segmenty opóźnienia, takie jak różnicowe trasowanie serpentynowe (patrz przykład poniżej)
• Wstrzyknięcie sygnału z niezbalansowanego systemu (na PCB) do zbalansowanego systemu (przewód skręcony)

Na PCB jest to związane z trasowaniem, niejednorodnościami materiałowymi, lub prostszymi nieciągłościami jak luki w płaszczyźnie masy w luźno sprzężonych parach różnicowych.

Każdy z tych efektów będzie tworzył konwersję trybu w różnych zakresach częstotliwości, co można zobaczyć w danych parametrów S. Na przykład, wkład tkaniny światłowodowej i pasożytniczej pojemności pojawi się przy wyższych częstotliwościach, podczas gdy wariacje geometryczne mogą tworzyć konwersję trybu szerokopasmowego. Ponieważ jest to pomiar w dziedzinie częstotliwości, używamy parametrów S do ilościowego określenia konwersji trybu (mierzonej w dB przez porównanie siły sygnału różnicowego i wspólnego trybu).

Przykład Pomiaru Konwersji Trybu

Poniżej przedstawiono podstawowy przykład pomiaru konwersji trybu. Dla danego kanału definiujemy dwa typy parametrów S, które są używane do ilościowego określenia konwersji trybu:

• Konwersja różnicowa na wspólny tryb (SCD21): Wprowadzamy sygnał testowy w trybie różnicowym i mierzymy sygnał wyjściowy w trybie wspólnym.
• Konwersja z trybu wspólnego na różnicowy (SDC21): Wprowadzamy sygnał testowy w trybie wspólnym i mierzymy sygnał wyjściowy w trybie różnicowym.

Przykład poniżej pokazuje konwersję trybu generowaną w domenie częstotliwości przez sekcje trasowania serpentynowego używane do opóźniania par różnicowych w równoległym magistrali.

Interpretacja przy użyciu parametrów S ma sens i znajduje zastosowanie do kanałów na PCB lub kaskadowej sieci, która korzystałaby z połączenia typu (PCB + I/O + kabel + I/O + PCB). Metodologia ta ma również zastosowanie do złączy płyta-płyta, gdzie złącze pełni podobną rolę co kabel. Niezależnie od struktury połączenia ważne jest to:

Jitter a konwersja trybu

Ponieważ asymetria w czasie propagacji i konwersja trybu są ze sobą powiązane, a jitter powoduje asymetrię, byłoby rozsądne zapytać, czy możemy przewidzieć jitter na podstawie pomiarów konwersji trybu? W rzeczywistości można dokładnie to zrobić, używając prostej formuły i danych z parametrów S. Podstawowa zależność jest następująca:

To równanie opisuje jitter śladu do śladu i powinno przekazać coś ważnego: jitter jest funkcją częstotliwości testowej! Prawa strona powyższego równania jest funkcją częstotliwości, a zauważ, że częstotliwość kątowa pojawia się w lewej stronie równania. Wystarczy podstawić dane S-parametru dla każdej częstotliwości testowej, aby można było obliczyć jitter dla tej konkretnej częstotliwości. Ponieważ mamy do czynienia z parami różnicowymi, zazwyczaj kwantyfikujemy jitter T jako ułamek interwału jednostkowego (UI), ponieważ to właśnie odczytasz z diagramu oka.

Jako przykład, można to zobaczyć w pomiarach kabli, tak jak na poniższym wykresie. Wykres pokazuje pomiary konwersji trybu w kablu twinax 28 AWG. Widzimy, że całkowite przesunięcie jest funkcją długości kabla (jak można się było spodziewać), jak również funkcją częstotliwości. Składnik częstotliwościowy może nie być zaskakujący, dopóki nie przypomnimy sobie, że niezgodność fazowa spowodowana konwersją trybu jest również funkcją częstotliwości, więc spodziewalibyśmy się tego samego dla przesunięcia.

Podsumowanie: Utrzymuj symetrię

Wszystko to powinno zilustrować potrzebę dopasowania długości między dwoma stronami pary różnicowej oraz symetrię w trasowaniu. Kiedy piszę „symetria w trasowaniu”, nie mam na myśli koniecznie „ściślego sprzęgania”, jak to często jest zalecane w podstawowych wytycznych projektowania PCB wysokich prędkości. Mam raczej na myśli to, co następuje:

• Stała propagacji dla każdej ścieżki w parze powinna być taka sama na całej długości trasy, niezależnie od tego, czy ścieżki są obok siebie przez cały dystans.
• Impedancja pojedynczej ścieżki powinna być spójna na całej długości trasy, niezależnie od tego, czy ścieżki są obok siebie przez cały dystans.
• Wszelkie zmiany impedancji/stałej propagacji (np. z powodu pojemności pasożytniczej) powinny pojawiać się równomiernie na obu ścieżkach w parze. Asymetria w tym obszarze jest znana jako jeden z głównych czynników przyczyniających się do konwersji trybu.

Odnośnie do ostatniego punktu, istnieje świetny artykuł, który polecam czytelnikom, aby zobaczyć, jak przelotki masowe mogą wpływać na konwersję trybu:

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. „Konwersja z trybu różnicowego na tryb wspólny na przelotkach sygnałów różnicowych z powodu asymetrycznych konfiguracji przelotek GND.” In Compliance, 1 czerwca 2014.

Jak już wcześniej wspomniałem (podobnie jak inni eksperci), tak zwane "ściśle powiązane sprzężenie" nie jest wymagane do transmisji sygnałów różnicowych tak długo, jak ścieżki są odpowiednio zaprojektowane, chociaż niesie to pewne korzyści z perspektywy szumów. Jest to również jedyny sposób, aby zapewnić spełnienie specyfikacji impedancji różnicowej bez pobliskiej płaszczyzny masy. Zastanów się dokładnie, jak chcesz poprowadzić parę różnicową i zdefiniować jej impedancję, ponieważ pomoże to zapobiec konwersji trybów. Zdecydowanie najłatwiejszym sposobem, aby osiągnąć wszystkie te cele, jest po prostu zdecydowanie się na prowadzenie wszystkiego z wymuszonym symetryzmem i ściśle powiązanym sprzężeniem. Na szczęście, nowoczesne narzędzia CAD ułatwiają to wszystko.

Po ustaleniu wymagań dotyczących konwersji trybu pary różnicowej, możesz utworzyć geometrię i zasady trasowania pary różnicowej, korzystając z najlepszych w branży funkcji układania PCB w Altium Designer®. Zintegrowany Layer Stack Manager zawiera ultra-dokładny solver pola do obliczeń impedancji w standardowych geometriach, a wyniki możesz natychmiast zastosować jako regułę projektową w narzędziach do trasowania. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.