Principios de pares diferenciales - Parte 1

En la actualidad, el diseño de pares diferenciales en un PCB es una temática casi constante para cualquier diseñador de PCB, pero ¿sabemos que son y para que se usan realmente estos? Es este articulo veremos las bases de estos y que debemos saber antes de implementar los mismos en nuestro diseño.

¿Qué es un par diferencial?

Un par diferencial es una forma de transmitir información a través de dos líneas de transmisión utilizando para ello dos señales complementarias, cada una por su propio conductor.

Cabe destacar, que cuando hablamos de un par diferencial, estamos refiriéndonos a la diferencia de tensión en ambas líneas de transmisión de datos, cuyo valor medido en cada línea será similar, pero de signo contrario.

Imagen que contiene texto

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“El transmisor envía una señal que se distribuye por cada conductor invirtiendo su polaridad uno del otro.”

De este modo, podemos observar a través de la imagen, que el ruido introducido en el sistema se ve elimina en el comparador ya que al sumar ambas señales una complementa a la otra y el ruido presente en ambas se ve anulado.

Antes de analizar con profundidad la teoría de pares diferenciales repasemos brevemente de que forma se pueden ocasionar.

Tipos de pares diferenciales.

Los pares diferenciales pueden aparecer en un PCB a través de:

Por ello, los trataremos desde dos puntos de vista, el primero será analizar el sistema como dos líneas de transmisión con un extremo en común. Y la segunda con un único par diferencial. Es decir, en el primer caso tendremos dos líneas de transmisión adyacentes, y en el segundo caso, estaremos hablando del conjunto de ellas.

¿Y a que es debido esto? Pues bien, debemos recordar que estas líneas de transmisión de datos estarán acopladas eléctricamente, por lo que observaremos los diferentes modos de acoplamiento, el modo común y el modo diferencial.

De este modo, tendremos que hablar de señales diferenciales y señales en modo común, y, por tanto, de impedancia de línea de transmisión en modo diferencial y en modo común, de ahí, que tengamos que analizar ambas líneas por separado, y como conjunto.

Tipos de acoplamientos: Modo diferencial y modo común.

Antes de ver en profundidad más teoría de pares diferenciales daremos un breve repaso a los tipos de acoplamiento. Para esto, debemos pensar en una fuente, dos líneas de transmisión y una fuente generadora de ruido.

Si enviamos una transmisión de datos por una línea y vuelve por la adyacente, estaremos pensando en modo diferencial, ya que si el acoplamiento es perfecto; fuente de ruido será anulada, y las señales tras recorrer el elemento pasivo estarán desfasadas una de la otra 180º, por lo que la suma vectorial de ambas será nula y el acoplamiento será óptimo.

Imagen que contiene cielo, mapa

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” Flujo de corrientes en modo diferencial”.

 

En el caso de que la diferencia no sea nula, el resultado será que nuestro propio sistema genera ruido en modo diferencial por un mal acoplamiento de las líneas de transmisión, o bien, por el camino de retorno del lazo de corriente.

En el caso del modo común, inyectamos la transmisión de datos a ambas líneas, pero desfasadas 180 grados una de la otra, si la suma de estas no es nula, no habrá cancelación de la fuente de ruido, por lo que obtendremos un mal acoplamiento en modo común.

Imagen que contiene cielo

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“Flujo de corrientes en modo común”.

Si comprendemos cualquiera de los acoplamientos, comprendemos ambos, dado que por definición uno es el contrario del otro, es decir, el modo común aparecerá como ausencia del modo diferencial.

Ahora que hemos repasado brevemente los tipos de acoplamiento hablaremos de dos definiciones muy usadas en la teoría de pares diferenciales y que vienen dadas por ambos tipos de acoplamiento.

Tipos de modos de transmisión de datos: modo par y modo impar.

El modo impar y modo par en un par diferencial nos indicará el sentido de la transmisión en ambas líneas, y, por tanto, el tipo de acoplamiento.

En el modo impar ambas líneas transmiten en la misma dirección desfasadas una de la otra, como ya comentamos anteriormente, estamos hablando de acoplamiento en modo común.

En el modo par cada línea transmite la misma información, pero en sentidos opuestos.

Si nos damos cuenta hablar de modo par y modo impar, es hablar de modo común y modo diferencial en un par diferencial, es decir, en cada uno de los modos el camino de retorno de la corriente, y, por tanto, el del campo eléctrico generado será distinto en cada caso. Y este, el campo electromagnético generado, el hándicap del diseño de pares diferenciales.

 

La impedancia en un par diferencial.

Lo más importante para un diseñador de PCB es ajustar correctamente la impedancia del par diferencial para intentar anular cualquiera de los dos tipos de acoplamientos, por ello conocer el modo de la transmisión, es decir, par o impar, tiene mucha importancia, ya que de ello depende la impedancia común en el par.

Si estamos en el caso el cual el acoplamiento es totalmente perfecto, es lógico pensar que la impedancia del par diferencial es la suma de impedancias de cada línea de transmisión, es decir, si deseamos un par diferencial de 100 Ω cada una de las líneas de transmisión están diseñadas con un control de impedancias de 50 Ω como si de “single-end” se trataran.

Pero ¿Qué ocurre si el acoplamiento no es perfecto? Por norma general, nos encontraremos en este caso. Dependiendo si la comunicación es impar o par deberemos de tener en cuenta las siguientes restricciones. Para ello, nos simplificamos el sistema a través del siguiente circuito:

Si estamos en modo impar, la impedancia del par diferencial deberá ser vista como el resultado del modo común, es decir que la impedancia total será el doble de la impedancia de la línea de transmisión menos la impedancia del acoplamiento, dado que en este caso cada línea de transmisión es simétrica, la corriente que circula por la impedancia de acoplamiento es cero, por lo que se puede obviar.

De este modo, podemos conocer la impedancia en un par diferencial para cada modo de transmisión, veremos qué más factores debemos de tener en cuenta a la hora de diseñarlos.

De nuevo el efecto “Skew”.

Antes de entrar en detalle con el diseño de los pares diferenciales en Altium (aquí link), debemos recordar brevemente que es el efecto “skew”, dado que a la hora de trazar estos a lo largo del PCB, si las líneas de transmisión no son simétricas y de la misma longitud; caso habitual en el que nos encontraremos, aparecerá dicho efecto.

El efecto “skew” o efecto pelicular del cobre, se produce cuando la densidad de corriente no es uniforme en la sección del material, lo que hace que la variación del campo magnético en el conductor sea mayor en el centro, y menor en la periferia de la sección de pista de cobre.

Este fenómeno solo ocurre cuando la densidad de corriente varia. Por ello, este fenómeno en corriente continua no existe y, sin embargo, en corriente alterna si. No debemos olvidar que una línea de transmisión de datos no se comporta como un flujo de corriente continua, si no, que a alta frecuencia se producirá una variación de tensión a medida que se transmita la señal por la línea, y de este modo, aparecerá este efecto en las pistas y vías de la PCB.

Para comprenderlo mejor, consideremos una línea de transmisión de datos en un cable. En ella, los electrones se desplazan de manera radial hacia la superficie del contorno, aumentando la concentración en el mismo a medida que aumenta la frecuencia suponiendo que la línea de transmisión sea de sección circular.

Cuando nos encontramos en ese caso, en el que el flujo es a través de una pista en un PCB, el campo magnético producido por el flujo de corriente que atraviesa el conductor, deja de ser uniforme y centrado en el centro geométrico de la sección de la pista, y pasa a desplazarse a cada uno de los lados del contorno de la sección, lo que hace menos predecible y dificulta el control de la energía que se propaga en forma de campo.

https://pcbgogofile.s3-us-west-2.amazonaws.com/project/18/12/04/0911426735143.png

“Distribución de campo electromagnético de una pista respecto a su plano de referencia (return path)” Fuente.

Por ello, cuando diseñemos pares diferenciales debemos tener en cuenta que este efecto es la clave para tener un par diferencial perfectamente acoplado, ya que será quien dictamine la impedancia del acoplamiento.

En el siguiente articulo seguiremos hablando sobre como debemos diseñar en Altium los pares diferenciales.

Acerca del autor

Jorge De Castro Casares


Jorge de Castro es investigador de proyectos I+D+i para el Instituto de Investigación ITAP (Instituto de Tecnologías Avanzadas de la Producción), de la Universidad de Valladolid.

Además, trabaja como Director de Innovación en desarrollo electrónico en Agrosmart Solutions S.L.

Cuenta con años de experiencia como técnico de ensayos de EMC, y como diseñador de PCBs en diferentes industrias: telecomunicaciones, IOTs y electrónica de control.

Jorge de Castro is a researcher of R+D+i projects for the ITAP Research Institute (Institute of Advanced Production Technologies), of the University of Valladolid (Spain).

In addition, he Works as a Director of Innovation in electronic Development at Agrosmart Solutions S.L.

With years of experience as an EMC testing technician, and as a designer of PCBs in different industries: telecommunications, IOTs and control electronics.

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