Requisitos de Largura de Banda para Sinais de Terminação Única vs. Diferenciais

Como observado em um artigo anterior, juntamente com linhas de transmissão terminadas em série, os sinais diferenciais servem como as conexões para a maioria dos dispositivos CMOS. Uma das principais diferenças entre sinais de extremidade única e sinais diferenciais é que os requisitos de largura de banda de um caminho de sinalização diferencial são muito menos exigentes do que aqueles necessários para um caminho de sinalização de extremidade única operando na mesma frequência. Este artigo fornece uma visão geral dos benefícios da sinalização diferencial e como ela opera em um produto eletrônico em funcionamento.

Uma Visão Rápida dos Benefícios da Sinalização Diferencial

O primeiro ponto sobre sinais diferenciais é que eles geralmente têm uma variação de sinal muito menor do que os sinais de extremidade única e são quase sempre terminados em paralelo. Isso resulta em uma corrente total de acionamento quase constante à medida que muda de direção nos fios de sinal. As vantagens específicas dos sinais diferenciais incluem:

• A carga de potência é corrente e constante.
• Tanto a corrente do sinal quanto a corrente de retorno para os dois fios são iguais e em direções opostas.
  • Isso resulta em uma corrente total constante nas interfaces de pacote.
• Uma vez que ambas as linhas em sinalização diferencial viajam em paralelo, tendem a ter a mesma quantidade de ruído injetado devido ao acoplamento com o plano sobre o qual viajam.
  • Os sinais diferenciais não recebem a mesma quantidade de acoplamento de ruído de trilhas adjacentes.
• O receptor diferencial elimina os problemas resultantes de quedas de terra ou deslocamentos na fonte de alimentação entre componentes.
• Os sinais diferenciais podem operar em velocidades muito mais altas do que os sinais de extremidade única.

Dado o anterior, pareceria que usar sinais diferenciais é uma decisão óbvia. No entanto, há uma desvantagem - eles requerem a serialização dos dados em uma extremidade e a desserialização dos dados na outra.

Há também um equívoco comumente aplicado à sinalização diferencial: A característica atribuída à sinalização diferencial é que o roteamento lado a lado dos pares em uma PCB proporciona rejeição de ruído em modo comum. Como discutido em artigos anteriores, este não é o caso.

Como Os Diferentes Tipos de Lógica Operam

Lógica Real

Antes de mergulhar em como a lógica de extremidade única opera versus como a lógica diferencial opera, é útil revisar como a lógica real opera. Isso é abordado nos seguintes pontos.

• Os sinais de lógica real não são ondas quadradas perfeitas.
• Os drivers reais têm uma capacidade limitada de gerar harmônicas superiores da frequência do relógio, resultando em bordas arredondadas, como mostrado no gráfico do lado esquerdo da Figura 1.

• Drivers mais lentos produzem bordas mais lentas, como visto no lado direito do gráfico na Figura 1.

Lógica de Terminal Único

As principais características operacionais da lógica de terminal único incluem:

• Os caminhos da lógica de terminal único têm entradas que respondem às bordas de subida e descida dos sinais lógicos.
  • Quando uma borda de subida ou descida passa por uma tensão de limiar (geralmente no meio do caminho entre um nível lógico 1 e um nível lógico 0), uma mudança lógica é detectada.
• Quão precisamente o tempo das mudanças lógicas depende de quão rápido ou nítido é essa borda.
  • Bordas mais lentas resultam na detecção menos precisa de quando um estado lógico muda.
• Para preservar a precisão lógica, o caminho do sinal deve passar por várias harmônicas superiores da frequência do relógio.
• Harmônicas é o termo usado para descrever a distorção de uma onda senoidal por outras formas de onda que são de frequências diferentes.

Detalhes Importantes Sobre Harmônicas de Sinal vs. Tempo de Subida e Seu Impacto nos Caminhos de Dados de Terminal Único

Para entender como os sinais de extremidade única operam, é útil levar em conta o papel dos harmônicos do sinal versus o tempo de subida. Esses pontos de dados incluem:

• A transformação de Fourier de uma forma de onda produz os harmônicos presentes na forma de onda, bem como suas amplitudes.
  • A análise de Fourier é uma operação matemática em uma forma de onda de tensão que a converte do domínio do tempo para o domínio da frequência ou o inverso.
• O diagrama no lado esquerdo da Figura 2 mostra o conteúdo de frequência de um caminho lógico cuja frequência de relógio é de 100 MHz com um tempo de subida lento. Os principais componentes são os harmônicos ímpares desta frequência.

• O diagrama no lado direito da Figura 2 é a mesma forma de onda que a do lado esquerdo, mas com tempos de subida e descida mais rápidos. Pode-se ver que os harmônicos de frequência mais alta são muito maiores no lado direito do que no esquerdo.
  • Um caminho de sinal com baixa largura de banda causaria essa desaceleração das bordas, como mostrado no lado esquerdo da Figura 2. Isso resulta em uma operação menos confiável do caminho de dados de extremidade única.

Como Um Sinal Diferencial Opera

Figura 3 retrata um caminho de dados diferencial.

Em contraste com o funcionamento de um caminho de dados de extremidade única, os principais aspectos operacionais de um sinal diferencial incluem:

• Os caminhos de dados diferenciais decidem quando uma mudança de estado lógico ocorre ao detectar quando os dois sinais iguais e opostos se cruzam, conforme mostrado em Figura 4.

• Em contraste com um caminho de dados de extremidade única, o caminho de dados diferencial tem um requisito diferente em termos de como opera. Com a sinalização diferencial, o foco está na precisão do cruzamento. Não depende do tempo de subida do sinal.

Os pontos salientes a respeito do sinal diferencial mostrado na Figura 4 são os seguintes:

• Como pode ser visto, o sinal diferencial na Figura 4 tem a aparência de um “olho”.
  • É por isso que esse gráfico é referido como um “diagrama de olho” na indústria de SI.
• Duas condições são necessárias para que um caminho de sinal diferencial funcione adequadamente. Elas incluem:
  • O "olho" deve estar suficientemente aberto para permitir que o receptor detecte o estado lógico com precisão. (Alguns receptores precisam de apenas quatro ou cinco milivolts para fazer isso.)
  • Uma mudança de estado lógico é detectada onde os sinais se cruzam. O movimento associado a essa mudança não deve oscilar demais. Se isso ocorrer com muita frequência, o resultado será jitter, e o sinal se degradará.
  • As condições anteriores são atendidas quando o sinal é pouco mais do que uma onda senoidal ou o primeiro harmônico da frequência do relógio.

Com base no exposto, as seguintes determinações podem ser feitas em relação aos requisitos de largura de banda dos sinais diferenciais. Essas determinações incluem:

• Com base na discussão anterior sobre a Figura 4, pode-se determinar que os requisitos de largura de banda de um caminho de sinalização diferencial são muito menos exigentes do que para um caminho de dados de extremidade única com uma frequência similar.
• O sucesso da sinalização com um caminho de dados diferencial requer uma largura de banda do caminho que seja apenas um pouco mais do que a frequência do relógio.
  • Como exemplo, um caminho de dados de 6.125 Gb/S tem uma frequência de relógio de 3.0625 GHz. Um caminho de dados com uma largura de banda que seja um pouco mais do que 3 GHz funcionará adequadamente nesta taxa de dados.
• Um caminho de dados de extremidade única com a mesma taxa de dados exigiria uma largura de banda de cerca de 40 GHz para operar corretamente.

Resumo

Em contraste com a sinalização de extremidade única, os requisitos de largura de banda para um caminho de sinalização diferencial são muito menos exigentes do que os necessários para um caminho de sinalização de extremidade única operando na mesma frequência. A sinalização diferencial oferece um número significativo de benefícios em termos de um caminho de carga que é constante e corrente; sinal e correntes que são iguais e em direções opostas; sinais que não recebem a mesma quantidade de ruído injetado como sinais de extremidade única; um receptor que elimina os problemas decorrentes de quedas de terra ou deslocamentos de fornecimento de energia entre componentes e sinais que operam em velocidades muito mais altas do que sinais de extremidade única.

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Referências:

1. Ritchey, Lee W., e Zasio, John J., Acertar de Primeira, Um Manual Prático sobre Design de PCB e Sistemas de Alta Velocidade, Volumes 1 e 2.
2. Curso de 3 dias da Speeding Edge, “Integridade de Sinal e Design de Sistema e Chegando a 32 Gb/S, Como Projetar Pares Diferenciais de Muito Alta Velocidade.”
3. Curso de 1 dia da Speeding Edge, “Chegando a 32Gb/S Como Projetar Pares Diferenciais de Muito Alta Velocidade.”