Conceptos básicos: señalización diferencial y de un solo extremo

Primero, tenemos que aprender algunos conceptos básicos sobre qué es la señalización de un solo extremo antes de que podamos repasar la señalización diferencial y sus características.

Señalización de terminación única

La señalización de un solo extremo es una forma simple y común de transmitir una señal eléctrica de un emisor a un receptor. La señal eléctrica se transmite mediante un voltaje (a menudo un voltaje variable), que se relaciona con un potencial fijo, generalmente un nodo de 0 V denominado "tierra".

Un conductor lleva la señal y un conductor lleva el potencial de referencia común. La corriente asociada con la señal viaja del emisor al receptor y regresa a la fuente de alimentación a través de la conexión a tierra. Si se transmiten múltiples señales, el circuito requerirá un conductor para cada señal más una conexión a tierra compartida; así, por ejemplo, se pueden transmitir 16 señales utilizando 17 conductores.

 

Topología de un solo extremo

Señalización diferencial

La señalización diferencial, que es menos común que la señalización de un solo extremo, emplea dos señales de voltaje complementarias para transmitir una señal de información. Entonces, una señal de información requiere un par de conductores; uno lleva la señal y el otro lleva la señal invertida.

 

Single-ended vs. diferencial: Diagrama de tiempo genérico

 

El receptor extrae información detectando la diferencia de potencial entre las señales invertida y no invertida. Las dos señales de voltaje están "equilibradas", lo que significa que tienen la misma amplitud y polaridad opuesta en relación con un voltaje de modo común. Las corrientes de retorno asociadas con estos voltajes también están equilibradas y, por lo tanto, se anulan entre sí; por esta razón, podemos decir que las señales diferenciales tienen (idealmente) corriente cero fluyendo a través de la conexión a tierra.

Con la señalización diferencial, el emisor y el receptor no necesariamente comparten una referencia a tierra común. Sin embargo, el uso de señalización diferencial no significa que las diferencias de potencial de tierra entre el emisor y el receptor no tengan efecto en el funcionamiento del circuito.

Si se transmiten múltiples señales, se necesitan dos conductores para cada señal y, a menudo, es necesario o al menos beneficioso incluir una conexión a tierra, incluso cuando todas las señales son diferenciales. Así, por ejemplo, la transmisión de 16 señales requeriría 33 conductores (en comparación con 17 para la transmisión de un solo extremo). Esto demuestra una desventaja obvia de la señalización diferencial.

 

Topología de señalización diferencial

Beneficios de la señalización diferencial

Sin embargo, existen beneficios importantes de la señalización diferencial que pueden compensar con creces el mayor número de conductores.

Sin corriente de retorno

Dado que (idealmente) no tenemos corriente de retorno, la referencia a tierra se vuelve menos importante. El potencial de tierra puede incluso ser diferente en el emisor y el receptor o moverse dentro de un cierto rango aceptable. Sin embargo, debe tener cuidado porque la señalización diferencial acoplada a CC (como USB, RS-485, CAN) generalmente requiere un potencial de tierra compartido para garantizar que las señales permanezcan dentro del voltaje de modo común permitido máximo y mínimo de la interfaz.

Resistencia a EMI entrante y diafonía

Si se introduce EMI (interferencia electromagnética) o diafonía (es decir, EMI generada por señales cercanas) desde el exterior de los conductores diferenciales, se suma por igual a la señal invertida y no invertida. El receptor responde a la diferencia de voltaje entre las dos señales y no al voltaje de un solo extremo (es decir, con referencia a tierra) y, por lo tanto, el circuito del receptor reducirá en gran medida la amplitud de la interferencia o diafonía.

Esta es la razón por la cual las señales diferenciales son menos sensibles a EMI, diafonía o cualquier otro ruido que se acople en ambas señales del par diferencial.

Reducción de EMI saliente y diafonía

Las transiciones rápidas, como los flancos ascendentes y descendentes de las señales digitales, pueden generar cantidades significativas de EMI. Tanto las señales de un solo extremo como las diferenciales generan EMI, pero las dos señales en un par diferencial crearán campos electromagnéticos que (idealmente) son iguales en magnitud pero de polaridad opuesta. Esto, junto con técnicas que mantienen la proximidad entre los dos conductores (como el uso de cable de par trenzado), asegura que las emisiones de los dos conductores se cancelarán en gran medida entre sí.

Operación de bajo voltaje

Las señales de un solo extremo deben mantener un voltaje relativamente alto para garantizar una relación señal-ruido (SNR) adecuada. Los voltajes comunes de interfaz de un solo extremo son 3.3 V y 5 V. Debido a su resistencia mejorada al ruido, las señales diferenciales pueden usar voltajes más bajos y aun así mantener una SNR adecuada. Además, la SNR de la señalización diferencial aumenta automáticamente por un factor de dos en relación con una implementación equivalente de un solo extremo, porque el rango dinámico en el receptor diferencial es el doble que el rango dinámico de cada señal dentro del par diferencial.

La capacidad de transferir datos con éxito usando voltajes de señal más bajos viene con algunos beneficios importantes:

• Se pueden utilizar tensiones de suministro más bajas.
• Transiciones de voltaje más pequeñas
  • reducir la EMI radiada,
  • reducir el consumo de energía y
  • permitir frecuencias de operación más altas.

Estado alto o bajo y sincronización precisa

¿Se ha preguntado alguna vez cómo decidimos exactamente si una señal está en un estado lógico alto o lógico bajo? En los sistemas de un solo extremo, tenemos que considerar el voltaje de la fuente de alimentación, las características de umbral de los circuitos del receptor, tal vez el valor de un voltaje de referencia. Y, por supuesto, hay variaciones y tolerancias, que aportan incertidumbre adicional a la cuestión de lógica alta o lógica baja.

En señales diferenciales, determinar el estado lógico es más sencillo. Si el voltaje de la señal no invertida es más alto que el voltaje de la señal invertida, tiene una lógica alta. Si el voltaje no invertido es más bajo que el voltaje invertido, tiene una lógica baja. Y la transición entre los dos estados es el punto en el que se cruzan las señales invertida y no invertida, es decir, el punto de cruce.

Esta es una de las razones por las que es importante hacer coincidir las longitudes de los cables o pistas que transportan señales diferenciales: para obtener la máxima precisión de tiempo, desea que el punto de cruce se corresponda exactamente con la transición lógica, pero cuando los dos conductores del par no son iguales longitud, la diferencia en el retardo de propagación hará que el punto de cruce se desplace.

Aplicaciones

Actualmente existen muchos estándares de interfaz que emplean señales diferenciales. Estos incluyen lo siguiente:

• LVDS (señalización diferencial de bajo voltaje)
• CML (Lógica de modo actual)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• PUEDEN
• USB
• Audio balanceado de alta calidad

Claramente, las ventajas teóricas de la señalización diferencial han sido confirmadas por el uso práctico en innumerables aplicaciones del mundo real.

Técnicas básicas de PCB para enrutar trazas diferenciales

Finalmente, aprendamos los conceptos básicos de cómo se enrutan las trazas diferenciales en las PCB. El enrutamiento de señales diferenciales puede ser un poco complejo, pero existen algunas reglas básicas que hacen que el proceso sea más sencillo.

Coincidencia de longitud y longitud: ¡manténgalo igual!

Las señales diferenciales son (idealmente) iguales en magnitud y opuestas en polaridad. Por lo tanto, en el caso ideal, ninguna corriente de retorno neta fluirá a través de tierra. Esta ausencia de corriente de retorno es algo bueno, por lo que queremos mantener todo lo más ideal posible, y eso significa que necesitamos longitudes iguales para las dos trazas en un par diferencial.

Cuanto mayor sea el tiempo de subida/bajada de su señal (que no debe confundirse con la frecuencia de la señal), más tendrá que asegurarse de que las trazas tengan la misma longitud. Su programa de diseño puede incluir una característica que lo ayude a ajustar la longitud de las trazas para pares diferenciales. Si tiene dificultades para lograr la misma longitud, puede usar la técnica de "meandro".

 

Un ejemplo de una traza serpenteante

Ancho y espaciado: ¡manténgalo constante!

Cuanto más cerca estén los conductores diferenciales, mejor será el acoplamiento de las señales. La EMI generada se cancelará de manera más efectiva y la EMI recibida se acoplará más equitativamente en ambas señales. Así que trata de acercarlos mucho.

Debe enrutar los conductores de pares diferenciales lo más lejos posible de las señales vecinas para evitar interferencias. El ancho y el espacio entre sus trazas deben seleccionarse de acuerdo con la impedancia objetivo y deben permanecer constantes a lo largo de toda la longitud de las trazas. Entonces, si es posible, las pistas deben permanecer paralelas a medida que viajan alrededor de la PCB.

Impedancia: ¡minimice las variaciones!

Una de las cosas más importantes que debe hacer al diseñar una PCB con señales diferenciales es averiguar la impedancia objetivo para su aplicación y luego diseñar sus pares diferenciales en consecuencia. Además, mantenga las variaciones de impedancia lo más pequeñas posible.

La impedancia de su línea diferencial depende de factores como el ancho de la traza, el acoplamiento de las trazas, el grosor del cobre y el material de la PCB y la acumulación de capas. Considere cada uno de estos mientras trata de evitar cualquier cosa que cambie la impedancia de su par diferencial.

No enrute señales de alta velocidad sobre un espacio entre áreas de cobre en una capa plana, porque esto también afecta su impedancia. Trate de evitar discontinuidades en los planos de tierra.

Recomendaciones de diseño: ¡léalas, analícelas y piénselas demasiado!

Y, por último, pero no menos importante, hay una cosa muy importante que debe hacer al enrutar trazas diferenciales: obtenga la hoja de datos y/o las notas de aplicación del chip que envía o recibe la señal diferencial, lea las recomendaciones de diseño y analice ellos de cerca. De esta forma, puede implementar el mejor diseño posible dentro de las limitaciones de un diseño en particular.

Conclusión

La señalización diferencial nos permite transmitir información con voltajes más bajos, buena SNR, inmunidad mejorada al ruido y velocidades de datos más altas. Por otro lado, el número de conductores aumenta y el sistema necesitará transmisores y receptores especializados en lugar de circuitos integrados digitales estándar.

Hoy en día, las señales diferenciales forman parte de muchos estándares, incluidos LVDS, USB, CAN, RS-485 y Ethernet, por lo que todos deberíamos (como mínimo) estar familiarizados con esta tecnología. Si realmente está diseñando una placa de circuito impreso con señales diferenciales, recuerde consultar las hojas de datos relevantes y las notas de la aplicación y, si es necesario, lea este artículo nuevamente.

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