Um Guia sobre Conversão de Modo, Suas Causas e Soluções

Os pares diferenciais são frequentemente discutidos em termos de sua impedância e tolerância de correspondência de comprimento, ambos com o objetivo de garantir a terminação adequada no receptor e a supressão de ruído de modo comum. Em interconexões, como conexões de placa para placa ou arranjos de linha de transmissão em cascata, você tem uma importante métrica de conformidade EMC que às vezes é negligenciada. Isso é conversão de modo, que pode ser visualizada em uma medição de parâmetro-S para transmissão de sinal diferencial e de modo comum.

O termo “conversão de modo” é mais frequentemente discutido no contexto da óptica, particularmente quando ondas refratam ao transmitirem através da interface entre dois meios, onde a onda pode mudar de uma verdadeira onda não polarizada (TEM) para uma onda parcialmente ou totalmente polarizada. No design eletrônico, e particularmente no design de interconexão de alta velocidade, a conversão de modo deve ser limitada abaixo de algum valor para garantir que os sinais possam ser lidos e interpretados em um receptor. Neste artigo, vamos olhar para uma breve visão geral da conversão de modo em design de alta velocidade com alguns exemplos de padrões diferenciais comuns.

Visão Geral da Conversão de Modo

O termo "conversão de modo" refere-se à conversão de um sinal diferencial em um sinal de modo comum. Isso simplifica um pouco as coisas; não é que toda a potência contida em um sinal diferencial seja convertida para modo comum. Em vez disso, a parte convertida do sinal pode ser espalhada pelo domínio de frequência e é observada em um tipo específico de medição de parâmetro-S. Em essência, o sinal diferencial perdeu parte de sua energia à medida que foi convertido em um sinal de modo comum, assim o sinal diferencial pode não ser recuperável se muita parte do sinal for convertida no modo comum.

Você pode se sentir tentado a perguntar: por que devemos nos preocupar com a conversão de modo e o ruído de modo comum resultante? Um receptor diferencial não elimina o ruído de modo comum? Há duas respostas para isso a considerar:

• Correntes de modo comum levam a EMI (interferência eletromagnética) radiada de modo comum (radiação dipolo), o que pode causar falhas nos testes de emissões quando é muito forte. Isso aconteceria durante a taxa de borda, então você teria emissão forte durante a transmissão de sinal de alta velocidade sobre um par diferencial impresso/conector ou um cabo.
• Receptores podem suprimir a maior parte do ruído de modo comum que recebem, mas não todo ele, portanto, as correntes de modo comum devem ser limitadas. Novamente, isso é importante durante a taxa de transição; a porção de modo comum do sinal pode ser muito mais forte do que o receptor pode suprimir de forma confiável quando a conversão de modo é alta.

Parâmetros S de Modo Misto

A conversão de modo é descrita matematicamente usando parâmetros S de modo misto. Esses parâmetros S misturam os parâmetros S para o sinal diferencial de entrada e o ruído de modo comum resultante em uma única matriz. Da mesma forma, a mesma matriz também descreve os parâmetros S para qualquer sinal de modo comum de entrada (ou ruído) e o sinal de modo diferencial resultante visto na saída. A definição da matriz de parâmetro S de modo misto é:

Aqui, o "D" refere-se ao sinal diferencial, e o "C" refere-se ao sinal de modo comum. Os números nos subscritos têm o seu significado usual referindo-se às portas 1 e 2 de uma interconexão de par diferencial.

Aqui temos uma matriz com 16 parâmetros, mas nem todos esses são usados na prática. Os parâmetros específicos de que você precisa podem ser determinados decodificando a nomeação dos parâmetros na matriz:

Em outras palavras, se você deseja determinar a quantidade de ruído de modo comum visto na porta 2 de um par diferencial quando apenas um sinal diferencial é aplicado à porta 1, essa quantidade é igual ao produto (SCD21)(a1d). Usando esses parâmetros S medidos, é então possível determinar a quantidade de potência de modo comum ou diferencial transferida para um receptor ou colocada em um cabo.

Limites de Conversão de Modo

Quanto desse sinal de modo comum é demais? A resposta é que não é necessário muito ruído de modo comum propagando de uma E/S para um cabo para causar uma falha de EMC. A corrente específica é uma função da frequência e dependerá do padrão específico com o qual você está trabalhando. Por exemplo, produtos da Classe A e Classe B da FCC terão limites diferentes dos produtos CISPR; a tabela abaixo resume esses limites para produtos da Classe A e Classe B da FCC (os créditos vão para o falecido Henry Ott por compilar os dados).

Limites de corrente em modo comum em cabos para produtos Classe A e Classe B da FCC.
* Baseado nos Limites de Emissão Conduzida
** Baseado nos Limites de Emissão Radiada

Apenas para perspectiva, as correntes envolvidas na transmissão de dados por Ethernet ou LVDS clássico estão em níveis de mA, então temos níveis muito baixos de corrente em modo comum permitidos em comparação com a corrente do sinal diferencial.

Em termos de limites de padrões de sinalização, isso varia com o padrão e onde a medição está sendo feita. Note que os limites dos padrões de sinalização definem o desempenho do hardware; eles não definem os limites de emissões necessários para passar nos testes de EMC. Por exemplo, no USB 3, o limite de conversão de modo em conjuntos de cabos acoplados é de -20 dB em toda a largura de banda do sinal especificado, então todo o interconector poderia permitir muito ruído em modo comum e ainda assim funcionar conforme a especificação. Note que “funcionar conforme a especificação” e a conformidade com FCC/CISPR não são necessariamente a mesma coisa.

Causas da Conversão de Modo

A assimetria no roteamento na PCB ou na fiação usada em um cabo causará conversão de modo nos interconectores diferenciais. Outra maneira de pensar nisso não é que cria novo ruído de modo comum onde não havia nenhum, mas que a assimetria atrasa a chegada do cruzamento de zero em direção às bordas ou criação de um atraso de fase entre os dois sinais em cada trilha. Como resultado, fica mais difícil para o receptor diferencial suprimir completamente o ruído de modo comum ao longo da largura de banda do sinal.

Um efeito colateral é que uma assimetria permite o acoplamento de algum ruído que pode existir apenas em um condutor, mas não em outro, ou que pode não acoplar totalmente a ambos os condutores com igual magnitude. Novamente, as correntes de modo comum não se cancelarão completamente, pois podem não estar verdadeiramente em modo comum, então algum ruído aparecerá no sinal recebido.

As assimetrias surgem das seguintes maneiras:

• Variações de geometria (comprimento ou desajuste de seção transversal)
• Constante dielétrica e constante de propagação, como a partir da trama de fibra
• Variações de impedância, possivelmente devido aos pontos acima ou de parasitas
• Segmentos de atraso acoplados, como roteamento diferencial serpentina (veja o exemplo abaixo)
• Injeção de sinal de um sistema desbalanceado (em uma PCB) para um sistema balanceado (fio torcido)

Na PCB, isso está relacionado ao roteamento, inomogeneidades do material, ou descontinuidades mais simples como lacunas no plano de terra em pares diferenciais pouco acoplados.

Cada um desses efeitos criará conversão de modo em diferentes faixas de frequência, que podem ser visualizadas em dados de parâmetros-S. Por exemplo, contribuições da trama de fibra e capacitância parasita aparecerão em frequências mais altas, enquanto variações de geometria poderiam criar conversão de modo de banda larga. Como esta é uma medição no domínio da frequência, usamos parâmetros-S para quantificar a conversão de modo (medida em dB comparando a força do sinal diferencial e do modo comum).

Exemplo de Medição de Conversão de Modo

A seguir, mostra-se um exemplo básico de uma medição de conversão de modo. Para um dado canal, definimos dois tipos de parâmetros-S que são usados para quantificar a conversão de modo:

• Conversão de diferencial para modo comum (SCD21): Inserimos um sinal de teste em modo diferencial e medimos o sinal de saída em modo comum.
• Conversão de modo comum para diferencial (SDC21): Inserimos um sinal de teste em modo comum e medimos o sinal de saída em modo diferencial.

O exemplo abaixo mostra a conversão de modo criada ao longo do domínio de frequência por seções de roteamento serpenteado usadas para atrasar pares diferenciais em um barramento paralelo.

A interpretação usando parâmetros-S faz sentido, e aplica-se a canais em uma PCB ou uma rede em cascata que encontraria usando um tipo de interconexão (PCB + I/O + cabo + I/O + PCB). A metodologia também se aplica a conectores de placa para placa, onde o conector desempenha um papel semelhante ao de um cabo. Não importa como a interconexão é estruturada, o ponto importante é este:

Jitter vs. Conversão de Modo

Uma vez que a assimetria no tempo de propagação e a conversão de modo estão ligadas, e o jitter produz assimetria, seria razoável perguntar, podemos prever o jitter a partir de medições de conversão de modo? De fato, você pode fazer exatamente isso com uma fórmula simples usando seus dados de parâmetros-S. A relação básica é:

Esta equação descreve o jitter de traço a traço e deve lhe dizer algo importante: o jitter é uma função da frequência de teste! O lado direito da equação acima é uma função da frequência, e note que a frequência angular aparece no lado esquerdo. Simplesmente insira seus dados de parâmetro S em cada frequência de teste e você pode calcular o jitter naquela frequência específica. Como estamos lidando com pares diferenciais, normalmente quantificamos o T-jitter como uma fração do intervalo unitário (UI), pois isso é o que você leria de um diagrama de olho.

Como exemplo, isso pode ser visto em medições de cabos, como no gráfico mostrado abaixo. Este gráfico mostra medições de conversão de modo em um cabo twinax de 28 AWG. Podemos ver que o desvio total é uma função do comprimento do cabo (como esperado), bem como uma função da frequência. O componente de frequência pode não ser surpreendente, até você se lembrar que o desalinhamento de fase devido à conversão de modo também é uma função da frequência, portanto, esperaríamos o mesmo para o desvio.

A Conclusão: Mantenha a Simetria

Tudo isso deve ilustrar a necessidade de correspondência de comprimento entre os dois lados de um par diferencial e simetria no roteamento. Quando escrevo "simetria no roteamento", não quero dizer necessariamente "acoplamento apertado", como é frequentemente prescrito nas diretrizes básicas de design de PCB de alta velocidade. Em vez disso, quero dizer o seguinte:

• A constante de propagação para cada traço no par deve ser a mesma ao longo do comprimento da rota, independentemente de se os traços estão lado a lado por toda a distância.
• A impedância de modo único de cada traço deve ser consistente ao longo do comprimento da rota, independentemente de se os traços estão lado a lado por toda a distância.
• Qualquer variação de impedância/constante de propagação (por exemplo, devido à capacitância parasita) deve aparecer igualmente em ambos os traços no par. A assimetria nesta área é conhecida por ser uma grande contribuidora para a conversão de modo.

Quanto ao último ponto, há um ótimo artigo que recomendo aos leitores para ver como vias de terra podem afetar a conversão de modo:

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. “Conversão de Modo Diferencial para Modo Comum em Vias de Sinal Diferenciais Devido a Configurações Assimétricas de Vias GND.” In Compliance, 1 de junho de 2014.

Como já mencionei antes (assim como outros especialistas), o chamado "acoplamento apertado" não é um requisito para a transmissão de sinal diferencial desde que as trilhas sejam projetadas adequadamente, embora traga alguns benefícios do ponto de vista do ruído. Também é a única maneira de garantir que uma especificação de impedância diferencial seja atendida sem um plano de terra próximo. Pense cuidadosamente sobre como você quer rotear um par diferencial e definir sua impedância, pois isso ajudará a prevenir a conversão de modo. De longe, a maneira mais fácil de garantir que você atenda a todos esses objetivos é simplesmente enfrentar a situação e rotear tudo com simetria forçada e acoplamento apertado. Felizmente, as ferramentas modernas de CAD tornam tudo isso muito fácil.

Uma vez que você tenha determinado os requisitos de conversão de modo de par diferencial, você pode criar a geometria do seu par diferencial e as regras de roteamento usando os melhores recursos de layout de PCB da indústria no Altium Designer. O Layer Stack Manager integrado inclui um solucionador de campos ultra-preciso para cálculos de impedância em geometrias padrão, e você pode instantaneamente impor os resultados como uma regra de design em suas ferramentas de roteamento. Quando você terminar seu design e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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