Pares Diferenciais Sem um Plano de Terra: Isso é um Problema?

Os pares diferenciais ajudaram a resolver alguns problemas básicos de integridade de sinal, e as ferramentas modernas de CAD facilitam o seu design e roteamento. No entanto, os pares diferenciais não são a solução para todos os problemas de integridade de sinal, apesar de sua utilidade em suprimir ruídos de modo comum em receptores de baixo nível. Há uma pergunta que sempre surge ao discutir o roteamento de pares diferenciais: essas trilhas precisam de um plano de terra?

Às vezes, a resposta para esta pergunta depende de quem você pergunta e de qual exemplo conceitual você usa para explicar como os pares diferenciais funcionam. Como a maioria das questões de engenharia que encontramos neste e em outros blogs, há verdades fundamentais em todas as respostas que você encontrará para esta pergunta, e é fácil tirar esses pontos de contexto. Vamos olhar quando você precisa usar um plano de terra para pares diferenciais e quando é simplesmente uma má ideia rotear pares diferenciais sem terra.

O que é um Plano de Terra para Pares Diferenciais Afinal?

Se você quer saber quando é apropriado rotear pares diferenciais sem terra, vale a pena entender o que um plano de terra faz e por que é importante. Primeiro, vamos olhar o que um plano de terra faz fisicamente (além de ser apenas um grande condutor de cobre):

• Capacitância: Quando emparelhada com um plano de alimentação em uma camada adjacente, você acaba de criar um capacitor fisicamente grande. Quando os dois planos estão próximos (laminado fino entre os planos), você tem uma maior capacitância interplana.
• Blindagem: Um plano de terra fornece uma grande fonte/poço de carga. Como a carga é retirada ou inserida em um plano de terra é basicamente irrelevante. Além disso, ele fornece carga de imagem para terminar campos elétricos apontando para o plano.
• Ponto de referência único: Idealmente, ele fornece um potencial de referência. Em outras palavras, pode ser usado para fornecer um ponto de referência para qualquer medição de tensão, incluindo as “medições” de tensão usadas pelos ICs para registrar níveis lógicos. O sinal de 3,3 V que você mede na extremidade de transmissão de uma interconexão sem perdas é razoavelmente garantido de ser visto como 3,3 V na extremidade receptora.

Além de algumas outras características, como fornecer uma maneira simples de distribuir calor e energia por toda a placa, os planos de terra fornecem algumas funções elétricas básicas que às vezes não são discutidas até que você chegue a uma aula de eletromagnetismo em nível de pós-graduação. De qualquer forma, os dois últimos pontos importam para pares diferenciais sem terra. Se você acertar na sua roteirização, talvez não precise de terra para pares diferenciais.

Seus Pares Diferenciais, Planos de Terra e Níveis de Sinal

A maneira como um par diferencial depende de um plano de terra depende de alguns fatores e está relacionada aos parasitas que governam a impedância. Primeiro, vamos olhar para os parasitas entre pares diferenciais. Todos os pares diferenciais têm uma pequena quantidade de capacitância parasita entre eles, que se combina com a sua indutância parasita e a capacitância parasita nativa em relação aos planos de terra.

Esses parasitas produzem dois efeitos:

• A capacitância mútua parasita e a indutância mútua fornecem acoplamento entre as duas linhas no par, o que ajuda a determinar a sua impedância diferencial.
• A capacitância parasita de volta aos planos de referência permite que uma corrente de deslocamento se propague no plano de terra.

Juntos, os parasitas determinam a impedância diferencial do par e a impedância de modo ímpar (impedância de modo único) de um traço individual no par.

Se houver uma corrente de retorno sob os traços em um par diferencial (assumindo que estamos falando da mesma forma que falaríamos para traços de terminação única), ela fica muito próxima abaixo do par e se aproxima de zero no ponto médio entre o par. Para sinais de alta velocidade, poderia-se esperar que a distribuição de qualquer corrente de retorno abaixo do traço fosse aproximadamente gaussiana. Isso é mostrado no gráfico na imagem abaixo.

Aqui, para fornecer um “caminho de retorno”, na verdade não precisamos de um plano de terra. Imagine se aumentássemos lentamente a distância entre o plano de terra e os traços na figura acima. Todas as linhas de campo elétrico emanando do traço positivo terminariam no traço negativo. Isso explica a definição de impedância diferencial: é a impedância entre os dois traços devido ao seu acoplamento mútuo. Isso também ajuda a explicar por que os níveis de sinal em um par diferencial são lidos como a diferença entre os valores em cada traço.

É aqui que alguém perguntará: "Como a corrente flui do traço positivo para o traço negativo? Isso deve acontecer através do CI!" Curiosamente, Lee Ritchey afirma conhecer um livro didático que mostra essa imagem específica na capa. Em vez de perguntar por onde a corrente flui, sugiro que os engenheiros se afastem dessa ideia de que a corrente "flui" em algum lugar como água em um cano.

Quando uma onda é excitada em uma extremidade do traço, o campo elétrico é excitado por alguma distribuição de carga livre no condutor. O campo elétrico de um condutor induz polarização no condutor oposto, o que é visto como uma corrente de deslocamento. À medida que a onda se propaga por um par diferencial, também o faz esse desequilíbrio de carga ao longo dos dois pares. A taxa na qual esse desequilíbrio de carga se move ao longo do traço é de fato uma corrente de retorno. Note que há também uma contribuição da indutância mútua, e a mesma explicação se aplica.

Por Que Usar um Plano de Terra para Pares Diferenciais?

Um ponto que todos mencionam com relação a trilhas de terminação única, mas esquecem com trilhas diferenciais, é o nível de isolamento fornecido por um plano de terra. Simplificando, um plano de terra próximo aos pares diferenciais distorce as linhas de campo e as termina na superfície do plano. Se você tiver roteamento de par diferencial em duas camadas adjacentes, pode isolar os pares simplesmente colocando um plano de terra entre as camadas.

Isso leva a outra razão para usar um plano de terra: suprimir o diafonia diferencial. As linhas de campo mostradas abaixo ilustram por que pares diferenciais podem induzir diafonia em uma trilha diferente, incluindo em outro par diferencial. De um lado e do outro da trilha. Se você ler o artigo que eu linkei acima, verá que distâncias maiores entre um par diferencial e seu plano de terra aumentarão o nível de diafonia induzida em outra trilha (seja de terminação única ou diferencial).

Isso se deve aos campos ao redor de cada traço em um par diferencial, conforme mostrado na imagem abaixo. Aqui, o campo é diferente de zero nas bordas de um par, o que significa que ele pode induzir ruído de modo comum ou diferencial em outro traço. Além da isolamento entre camadas, o uso de um plano de terra também fornece isolamento adicional entre um par diferencial e quaisquer outros traços na mesma camada. Isso pode permitir que você trace os traços mais próximos uns dos outros.

Falta de Terra e o Problema do Deslocamento de Terra

Note que, se você planeja usar pares diferenciais sem terra enquanto previne outros problemas de EMI, você precisa aplicar correspondência de comprimento para que os sinais em um par diferencial cheguem ao receptor dentro de seu orçamento de tempo. Isso ocorre porque, quando sinais não correspondentes chegam ao receptor, sua diferença é medida, mas qualquer incompatibilidade pode reduzir a capacidade de redução de modo comum do receptor. Em termos da corrente de retorno em qualquer referência próxima, isso tecnicamente produziria uma explosão momentânea de corrente na região de terra acoplada capacitivamente mais próxima. Se a região de terra estiver longe dos pares (ou seja, um plano distante ou o chassis), então você tem sua explosão eletromagnética curta que pode irradiar, efetivamente como sua própria fonte de ruído de modo comum. No entanto, em um sentido prático, essa radiação não é tão preocupante, exceto talvez em PCBs densamente empacotados, caso em que você deveria estar aplicando mais espaço entre componentes propensos a diafonia de qualquer forma.

A principal vantagem de usar pares diferenciais é a imunidade a deslocamentos de terra. Pares diferenciais são geralmente imunes a deslocamentos de terra e não requerem que os terras em cada lado de um link diferencial sejam conectados, por exemplo, com um cabo blindado. Deslocamentos de terra são apenas um problema em sinalização de extremidade única, pois um deslocamento de terra modificará o nível do sinal na placa. Isso pode ser ilustrado esquematicamente em uma PCB com planos de terra separados, ou para um cabo longo roteado entre dois sistemas fechados como mostrado abaixo.

Como um par diferencial depende da medição da diferença entre os sinais em cada lado do par, o deslocamento de terra não importa neste link. Embora isso possa não ser um problema em uma PCB com um plano de terra uniforme, é um problema real em links elétricos longos sendo usados para conectar equipamentos distantes.

Dependendo de como a terminação é implementada e das variações de impedância entre cada lado do par, o método real para compensação de deslocamento de terra é implementado com uma fonte de corrente em uma extremidade do link (isso é incorporado no receptor). Com a terminação no próprio chip implementada em componentes modernos de receptor e transmissor diferencial, você realmente não precisa se preocupar com isso. Seu trabalho como designer é garantir que você atinja os alvos de impedância necessários e minimize o desvio abaixo dos limites permitidos para a sua interface específica.

O Que Determina a Impedância Se Não Houver Terra?

Para um único traço, a impedância característica depende da relação entre a largura do traço e a espessura do dielétrico. Se você tem um microstrip e aumenta a distância para o terra para um valor muito grande, a impedância característica do traço crescerá logaritmicamente para valores muito grandes. Então, como a impedância de um par diferencial permanece em um valor fixo se não há plano de terra e a impedância característica de cada traço se torna muito grande?

• A resposta reside no espaçamento entre as trilhas no par. O objetivo da impedância diferencial, bem como a impedância de cada trilha individualmente, é mantido ao se manter constante o espaçamento entre as duas trilhas. Isso define a impedância individual E a impedância diferencial para o valor alvo, mesmo que não haja um plano de terra!

Para um dado espaçamento, a impedância de cada trilha individual será definida para a impedância de modo ímpar devido ao acoplamento entre as duas trilhas. A impedância da trilha que afeta a propagação do sinal em cada trilha no par é a impedância de modo ímpar, não a impedância característica. Isso deve explicar o papel dos cabos que transportam sinais diferenciais; o acoplamento entre eles mantém a impedância do fio individual ajustada para o valor de modo ímpar necessário, não a presença de qualquer plano de terra próximo (isso é totalmente arbitrário em cabos não blindados sem condutor de terra).

Se você rotear sobre um espaço de terra e depois voltar sobre um plano de terra, o que acontecerá? Dependendo do tamanho do espaço e da distância até o plano, você pode observar uma descontinuidade de impedância. Você precisa garantir que as impedâncias dos traços estejam combinadas em cada seção e que a impedância de entrada seja invisível para evitar reflexões. Certifique-se de levar isso em conta no seu calculador de impedância e empilhamento.

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