Руководство по преобразованию режимов, их причинам и решениям

Дифференциальные пары чаще всего обсуждаются в контексте их импеданса и допуска на согласование длин, оба с целью обеспечения правильного завершения на приемнике и подавления общемодовых помех. В межсоединениях, таких как соединения плата-к-плате или каскадные расположения линий передачи, существует важный показатель соответствия ЭМС, который иногда упускается из виду. Это преобразование мод, которое может быть визуализировано в измерении S-параметров для передачи дифференциальных и общемодовых сигналов.

Термин «преобразование мод» чаще всего обсуждается в контексте оптики, особенно когда волны преломляются при передаче через интерфейс между двумя средами, где волна может измениться с истинной неполяризованной (TEM) волны на частично или полностью поляризованную волну. В дизайне электроники, и особенно в дизайне высокоскоростных межсоединений, преобразование мод должно быть ограничено ниже некоторого значения, чтобы обеспечить возможность чтения и интерпретации сигналов на приемнике. В этой статье мы рассмотрим краткий обзор преобразования мод в высокоскоростном дизайне на примере общих дифференциальных стандартов.

Обзор преобразования мод

Термин "преобразование режима" относится к преобразованию дифференциального сигнала в сигнал общего режима. Это немного упрощает ситуацию; не весь мощность, содержащаяся в дифференциальном сигнале, преобразуется в общий режим. Вместо этого преобразованная часть сигнала может распространяться по частотному домену и наблюдаться в специфическом типе измерения S-параметра. По сути, дифференциальный сигнал потерял часть своей энергии, поскольку он был преобразован в сигнал общего режима, таким образом, дифференциальный сигнал может быть не восстановлен, если слишком большая часть сигнала преобразована в общий режим.

Возможно, вы захотите спросить: почему нам вообще следует беспокоиться о преобразовании режима и возникающем шуме общего режима? Разве дифференциальный приемник не устраняет шум общего режима? Есть два момента, которые стоит рассмотреть:

• Токи общего режима приводят к излучаемому ЭМИ общего режима (дипольное излучение), которое может вызвать неудачи в тестах на излучение, когда оно очень сильное. Это произойдет во время изменения скорости фронта, так что у вас будет сильное излучение во время передачи высокоскоростного сигнала по печатной паре дифференциального соединения/разъему или кабелю.
• Приемники могут подавлять большую часть общемодовых помех, которые они получают, но не все, поэтому общемодовые токи должны быть ограничены. Опять же, это важно во время изменения скорости сигнала; общемодовая составляющая сигнала может быть гораздо сильнее, чем то, что приемник может надежно подавить, когда преобразование режимов высоко.

Смешанные S-параметры

Преобразование режимов описывается математически с использованием смешанных S-параметров. Эти S-параметры объединяют S-параметры для входного дифференциального сигнала и результирующего общемодового шума в одну матрицу. Аналогично, та же матрица также описывает S-параметры для любого входного общемодового сигнала (или шума) и результирующего дифференциального режима сигнала, наблюдаемого на выходе. Определение матрицы смешанных S-параметров:

Здесь "D" относится к дифференциальному сигналу, а "C" - к общемодовому сигналу. Цифры в индексах имеют их обычное значение, относящееся к портам 1 и 2 дифференциального соединения.

Здесь у нас есть матрица с 16 параметрами, но на практике используются не все из них. Конкретные параметры, которые вам нужны, можно определить, расшифровав названия параметров в матрице:

Другими словами, если вы хотите определить количество общего режима помех, наблюдаемых на порту 2 дифференциальной пары, когда порт 1 получает только дифференциальный сигнал, это количество равно произведению (SCD21)(a1d). Используя эти измеренные S-параметры, затем можно определить количество мощности общего или дифференциального режима, передаваемой на приемник или на кабель.

Ограничения преобразования режимов

Сколько этого сигнала общего режима слишком много? Ответ заключается в том, что для вызова сбоя EMC не требуется много помех общего режима, распространяющихся от ввода-вывода к кабелю. Конкретный ток является функцией частоты и будет зависеть от конкретного стандарта, с которым вы работаете. Например, продукты FCC класса A и класса B будут иметь разные пределы, чем продукты CISPR; в таблице ниже приведены эти пределы для продуктов FCC класса A и класса B (благодарность позднему Генри Отту за сбор данных).

Ограничения тока общего режима на кабелях для продуктов класса FCC Class A и Class B.
* Основано на пределах излучаемых помех
** Основано на пределах излучаемых помех

Для сравнения, токи, задействованные при передаче данных по Ethernet или классическому LVDS, находятся на уровне мА, так что разрешенные уровни тока общего режима очень низкие по сравнению с током дифференциального сигнала.

Что касается пределов стандартов сигнализации, то они варьируются в зависимости от стандарта и места измерения. Обратите внимание, что пределы стандартов сигнализации определяют производительность аппаратного обеспечения; они не определяют пределы излучений, необходимые для прохождения тестирования на ЭМС. Например, в USB 3 предел преобразования режима в собранных кабельных системах составляет -20 дБ на протяжении всей указанной полосы пропускания сигнала, так что весь интерконнект может допускать значительный шум общего режима и все равно функционировать в соответствии со спецификацией. Обратите внимание, что "работа в соответствии со спецификацией" и соответствие требованиям FCC/CISPR не обязательно одно и то же.

Причины преобразования режима

Асимметрия в трассировке на печатной плате или в используемой проводке кабеля приведет к преобразованию режима в дифференциальных соединениях. Другим способом понимания этого является не то, что это создает новый общий режим шума, где его не было, а то, что асимметрия задерживает прибытие пересечения нуля к краям или создание фазовой задержки между двумя сигналами на каждом следе. В результате дифференциальному приемнику становится сложнее полностью подавлять общий режим шума на протяжении всей полосы пропускания сигнала.

Побочным эффектом является то, что асимметрия позволяет связывание некоторого шума, который может существовать только на одном проводнике, но не на другом, или который может не полностью связываться с обоими проводниками одинаковой величины. Опять же, токи общего режима не будут полностью отменяться, поскольку они могут не действительно находиться в общем режиме, так что некоторый шум появится на принятом сигнале.

Асимметрии возникают следующими способами:

• Вариации геометрии (несоответствие длины или поперечного сечения)
• Диэлектрическая постоянная и постоянная распространения, например, из текстуры волокна
• Вариации импеданса, возможно, из-за вышеупомянутых пунктов или из-за паразитных элементов
• Сегменты задержки с связью, такие как дифференциальная серпантинная трассировка (см. пример ниже)
• Инжекция сигнала из несбалансированной системы (на ПП) в сбалансированную систему (парный скрученный провод)

На ПП это связано с трассировкой, неоднородностями материала или более простыми разрывами, такими как разрывы земляного слоя в слабо связанных дифференциальных парах.

Каждый из этих эффектов будет создавать преобразование режима в различных диапазонах частот, которое можно наблюдать в данных S-параметров. Например, вклад текстуры волокна и паразитной емкости будет виден на более высоких частотах, в то время как вариации геометрии могут создавать широкополосное преобразование режима. Поскольку это измерение в частотной области, мы используем S-параметры для количественной оценки преобразования режима (измеряется в дБ путем сравнения силы дифференциального и общего сигналов).

Пример измерения преобразования режима

Ниже приведен базовый пример измерения преобразования режима. Для данного канала мы определяем два типа S-параметров, которые используются для количественной оценки преобразования режима:

• Преобразование дифференциального сигнала в общий режим (SCD21): Мы подаем тестовый сигнал в дифференциальном режиме и измеряем сигнал в общем режиме.
• Преобразование общего режима в дифференциальный (SDC21): Мы подаем тестовый сигнал в общем режиме и измеряем сигнал в дифференциальном режиме.

Пример ниже показывает преобразование режимов, создаваемое в частотной области секциями маршрутизации в виде змеевика, используемыми для задержки дифференциальных пар в параллельной шине.

Интерпретация с использованием S-параметров имеет смысл, и она применима к каналам на печатной плате или каскадной сети, которую можно было бы использовать с типом соединения (ПП + В/В + кабель + В/В + ПП). Методология также применима к соединителям платы к плате, где соединитель играет аналогичную роль, что и кабель. Независимо от структуры соединения важно следующее:

Джиттер против преобразования режима

Поскольку асимметрия во времени распространения и преобразование режима связаны, а джиттер вызывает асимметрию, было бы разумно спросить, можем ли мы предсказать джиттер из измерений преобразования режима? Фактически, вы можете сделать именно это, используя простую формулу с вашими данными S-параметров. Основная связь заключается в следующем:

Это уравнение описывает джиттер от трассы к трассе, и оно должно сказать вам о чем-то важном: джиттер является функцией тестовой частоты! Правая часть в приведенном выше уравнении является функцией частоты, и обратите внимание, что угловая частота появляется в левой части. Просто введите данные S-параметра на каждой тестовой частоте, и вы сможете рассчитать джиттер на этой конкретной частоте. Поскольку мы имеем дело с дифференциальными парами, мы обычно квантифицируем T-джиттер как долю интервала единицы (UI), поскольку это то, что вы бы прочитали из диаграммы глаза.

Как пример, это можно увидеть на измерениях кабеля, например, на графике ниже. Этот график показывает измерения преобразования режимов в 28 AWG двухжильном кабеле. Мы видим, что общий сдвиг является функцией длины кабеля (как и ожидалось), а также функцией частоты. Компонент частоты может показаться неудивительным, пока вы не вспомните, что смещение фазы из-за преобразования режимов также является функцией частоты, таким образом, мы ожидаем то же самое для сдвига.

Вывод: Сохраняйте Симметрию

Все это должно иллюстрировать необходимость согласования длины между двумя сторонами дифференциальной пары и симметрии в трассировке. Когда я пишу «симметрия в трассировке», я не обязательно имею в виду «плотное сцепление», как это часто предписывается в основных руководствах по проектированию высокоскоростных печатных плат. Скорее я имею в виду следующее:

• Постоянная распространения для каждого следа в паре должна быть одинаковой на протяжении всего маршрута, независимо от того, расположены ли следы рядом на всем расстоянии.
• Одиночное сопротивление каждого следа должно быть постоянным на протяжении всего маршрута, независимо от того, расположены ли следы рядом на всем расстоянии.
• Любые вариации сопротивления/постоянной распространения (например, из-за паразитной емкости) должны появляться одинаково на обоих следах в паре. Асимметрия в этой области известна как один из основных факторов преобразования режима.

Что касается последнего пункта, есть отличная статья, которую я рекомендую читателям посмотреть, чтобы увидеть, как заземляющие переходные отверстия могут влиять на преобразование режима:

• Jaze, A.; Archambeault, B.; Connor, S. «Преобразование дифференциального режима в общий режим на дифференциальных сигнальных переходных отверстиях из-за асимметричных конфигураций заземляющих переходных отверстий». In Compliance, 1 июня 2014 г.

Как я уже упоминал ранее (как и другие эксперты), так называемое "плотное соединение" не является требованием для передачи дифференциальных сигналов при условии, что трассы спроектированы должным образом, хотя это и приносит некоторые преимущества с точки зрения шума. Это также единственный способ обеспечить соответствие спецификации дифференциального импеданса без близлежащей земляной плоскости. Тщательно подумайте о том, как вы хотите проложить дифференциальную пару и определить ее импеданс, поскольку это поможет предотвратить преобразование режима. Самый простой способ достичь всех этих целей - просто смириться и проложить все с обеспечением симметрии и плотного соединения. К счастью, современные CAD-инструменты делают это все очень легко.

После того, как вы определите требования к преобразованию режима дифференциальной пары, вы можете создать геометрию вашей дифференциальной пары и правила трассировки, используя лучшие в отрасли функции размещения печатных плат в Altium Designer. Интегрированный Layer Stack Manager включает в себя ультраточный решатель полей для расчета импеданса в стандартных геометриях, и вы можете мгновенно применить результаты как правило проектирования в ваших инструментах трассировки. Когда вы закончите ваш проект, и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.