Deve Usar Espaçamento e Acoplamento de Pares Diferenciais Apertados ou Folgados?

Recebemos muitas perguntas sobre a impedância de traço e como calcular o tamanho de traço correto para atingir uma impedância específica em uma PCB fabricável. Tão importante quanto determinar uma largura de traço apropriada para um traço de extremidade única é a determinação de um espaçamento apropriado entre dois traços em um par diferencial. Então, a questão é, quão próximos os traços em um par diferencial precisam estar um do outro, e a necessidade de um "acoplamento apertado" é realmente necessária?

O que é interessante sobre essa diretriz de design é que provavelmente é a única regra de ouro de design de PCB que é mais mal definida. O que exatamente significa "acoplamento frouxo" ou "acoplamento apertado" em um sentido numérico? Se você perguntar a 10 diferentes gurus de integridade de sinal, você receberá 20 respostas diferentes!

Neste artigo, queremos chegar mais perto de uma descrição realista de acoplamento apertado vs. acoplamento frouxo em termos de espaçamento de par diferencial, bem como como o espaçamento do par diferencial afeta coisas como impedância, ruído de modo diferencial, recepção de ruído de modo comum e terminação. Como veremos, o foco em acoplamento apertado (seja lá o que isso for suposto significar) tem seus méritos, mas é frequentemente citado como necessário pelas razões erradas.

Como o Espaçamento de Pares Diferenciais Afeta a Integridade do Sinal

Vamos analisar cada uma das dimensões que mencionei acima para ver exatamente onde o espaçamento de pares diferenciais desempenha um papel e como definir o valor apropriado.

Impedância

O parâmetro primário em um par diferencial que é afetado pelo espaçamento é a impedância. A impedância de um par diferencial depende da auto capacitância e auto indutância de cada traço, e da capacitância mútua e indutância mútua entre cada traço. Isso significa que a fórmula para a impedância típica de um par diferencial precisa ser decomposta na impedância ímpar e na impedância diferencial, que são definidas da seguinte forma:

A indutância mútua e a capacitância existem para dar aos dois pares uma indutância total e uma capacitância total equivalentes, respectivamente. Na equação acima, ignoramos as perdas (R e G na equação de impedância da linha de transmissão), mas tudo bem, o ponto aqui é prestar atenção ao espaçamento.

• Quanto mais próximos você colocar os pares, menor será a impedância diferencial porque L_M e C_M aumentam. Tanto L_M quanto C_M convergem para zero à medida que o espaçamento tende ao infinito.

Em outras palavras, se você está projetando para atingir um objetivo de impedância diferencial (como especificado em uma norma ou determinado a partir de medições), então você não pode colocar os dois pares muito próximos, caso contrário, você não violará o objetivo de impedância, pois a impedância diferencial será muito pequena. No entanto, um espaçamento menor concentrará os campos elétricos e magnéticos entre os dois traços ao longo do comprimento da rota, o que aumenta a perda.

A indutância mútua e a capacitância mútua entre dois traços não são fáceis de calcular, e não existem fórmulas fechadas simples que você possa usar. Existem algumas fórmulas mais longas em alguns artigos de pesquisa, mas elas são muito longas e complicadas. Uma opção melhor é usar um editor de empilhamento com uma calculadora integrada. Esse tipo de utilitário normalmente usa um solucionador de campo eletromagnético para determinar a impedância de um par diferencial, em vez de determinar a capacitância mútua e a indutância.

Supressão de Ruído de Modo Comum

Os pares diferenciais são às vezes descritos como sendo imunes a interferências, embora nem sempre seja especificado se isso é em relação a sinais de modo único ou sinais diferenciais. Independentemente disso, a verdade é que os pares diferenciais não são imunes a interferências, seja de fontes de ruído de modo diferencial ou de fontes de ruído de modo comum. Para saber mais sobre o primeiro, você pode ler este artigo sobre interferência diferencial.

E quanto ao ruído de modo comum que se origina como diafonia? Se você está observando um traço agressor de modo único que induz um sinal em um par diferencial próximo, a realidade é que você nunca pode garantir a supressão total do ruído de modo comum, não importa o quão próximos você trace os dois traços em um par diferencial. No entanto, um acoplamento mais apertado ajuda.

Para entender o motivo, basta olhar como os campos de um traço agressor de modo único se espalham no espaço. Como os campos diminuem com a distância do traço, o traço mais próximo no par diferencial recebe mais ruído do que o traço mais distante.

Aqui, eu argumentaria que a solução ótima é mover o traço de modo único para mais longe do par diferencial, em vez de apenas aproximar o par. Se essa não for uma solução viável, então um espaçamento menor terá o mesmo efeito, mas com maior perda ao longo do par diferencial.

EMI de modo diferencial

Existe mais um mito de que pares diferenciais não emitem EMI. Isso também não é verdade; se fosse, então não seríamos capazes de medir o crosstalk diferencial. No entanto, a EMI radiada de um par diferencial está no modo diferencial, então é menos intensa do que o ruído emitido por um traço de extremidade única ou um grupo de traços. Esta é uma razão pela qual você pode transmitir dados seriais de alta velocidade através de um link diferencial sem falhar constantemente nos testes de EMC: simplesmente há menos ruído do que seria visto se os dados fossem enviados através de um único traço.

Porque a EMI diferencial só seria uma preocupação ao rotear dados seriais por um par diferencial longo, você pode ser tentado a aproximar o par para contrabalançar o ruído. Eu diria novamente que as perdas (perda de inserção) são muito mais importantes nesta situação. Em um link longo onde você precisaria usar pares diferenciais, as perdas dominarão o comportamento do canal, e você não precisa ter um espaçamento extremamente apertado. Certifique-se de simular e medir o comportamento do seu canal, preferencialmente com uma placa de teste, antes de finalizar o design do seu par diferencial para uso com seu padrão de sinalização específico.

Conversão de Modo e Reflexões no Ajuste de Comprimento

Existem dois problemas relacionados à integridade do sinal criados pelo acoplamento apertado dentro de uma estrutura de ajuste de comprimento::

• Conversão de modo em estruturas de ajuste de comprimento
• Reflexões na entrada de uma estrutura de ajuste de comprimento

Esses dois pontos representam um compromisso: as estruturas de ajuste de comprimento são necessárias para sincronizar os sinais em fase, mas elas criam reflexões e conversão de modo.

Quando um sinal diferencial percorre uma estrutura de ajuste de comprimento, ele experimentará alguma conversão de modo, o que significa que o ruído de modo comum pode se converter em ruído de modo diferencial, e vice-versa. Quando há um espaçamento menor entre os pares, haverá uma maior desvio da impedância de modo ímpar ao longo do traço com comprimento ajustado, bem como uma correspondente maior mudança no atraso de propagação em cada traço.

O resultado é que a estrutura de ajuste de comprimento faz com que algum ruído de modo comum apareça como ruído de modo diferencial no receptor, o que pode então violar a margem de ruído do receptor.

• Saiba mais sobre conversão de modo em estruturas de ajuste de comprimento
• Saiba mais sobre a impedância de estruturas de ajuste de comprimento

Por que Focar no Espaçamento e no Ajuste de Comprimento?

No passado distante, antes de os projetistas terem acesso a uma riqueza de ferramentas CAD e software profissional de design eletrônico, aplicar correspondência de comprimento e espaçamento consistente a um par diferencial era um processo demorado. Hoje, os projetistas de PCBs são privilegiados com ferramentas CAD que facilitam extremamente a aplicação de seções de correspondência de comprimento a um par diferencial. Regras de design que interagem com suas ferramentas de roteamento também tornam extremamente fácil aplicar um espaçamento consistente entre cada traço em um par diferencial, incluindo espaçamentos muito apertados, se necessário.

Embora possa não ser necessário dentro dos limites dos métodos de terminação tradicionais e dos alvos de impedância diferencial, vemos algumas razões para usar um pequeno espaçamento:

• Redução da emissão de ruído em modo diferencial e do diafonia diferencial
• Maior probabilidade de o ruído ser recebido como ruído de modo comum verdadeiro
• Menor emissão de ruído em modo diferencial entre o par

Contudo, ao contrário do que muitos acreditam, optar pelo menor espaçamento possível não é necessário para a terminação, e isso aumentará as perdas ao longo do comprimento do par. Então, uma vez que você aplique ajuste de comprimento em um par com espaçamento reduzido, você verá maior conversão de modo e desvio de impedância quando a seção de ajuste de comprimento for aplicada. Terminação é uma discussão longa que apresentarei em alguns vídeos e em outro artigo.Uma visão geral pode ser encontrada neste artigo, e a principal conclusão é que a terminação trata o par diferencial como dois sinais de extremidade única, não em termos de alguma impedância diferencial.

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