O Básico: Sinalização Única e Diferencial

Primeiro, temos que aprender algumas noções básicas sobre o que é sinalização de terminação única antes que possamos analisar a sinalização diferencial e suas características.

Sinalização de extremidade única

A sinalização de terminação única é uma maneira simples e comum de transmitir um sinal elétrico de um emissor para um receptor. O sinal elétrico é transmitido por uma tensão (geralmente uma tensão variável), que é referenciada a um potencial fixo, geralmente um nó de 0 V chamado de "terra".

Um condutor transporta o sinal e um condutor transporta o potencial de referência comum. A corrente associada ao sinal viaja do emissor ao receptor e retorna à fonte de alimentação através da conexão de aterramento. Se forem transmitidos vários sinais, o circuito exigirá um condutor para cada sinal mais uma conexão de aterramento compartilhada; assim, por exemplo, 16 sinais podem ser transmitidos usando 17 condutores.

 

Topologia de terminação única

Sinalização Diferencial

A sinalização diferencial, que é menos comum que a sinalização de extremidade única, emprega dois sinais de tensão complementares para transmitir um sinal de informação. Assim, um sinal de informação requer um par de condutores; um carrega o sinal e o outro carrega o sinal invertido.

 

Simples vs. diferencial: diagrama de temporização genérico

 

O receptor extrai informações detectando a diferença de potencial entre os sinais invertidos e não invertidos. Os dois sinais de tensão são "equilibrados", o que significa que eles têm amplitude igual e polaridade oposta em relação a uma tensão de modo comum. As correntes de retorno associadas a essas tensões também são equilibradas e, portanto, se cancelam; por esta razão, podemos dizer que os sinais diferenciais têm (idealmente) corrente zero fluindo através da conexão de terra.

Com a sinalização diferencial, o emissor e o receptor não compartilham necessariamente uma referência de terra comum. No entanto, o uso de sinalização diferencial não significa que as diferenças no potencial de terra entre o emissor e o receptor não tenham efeito sobre a operação do circuito.

Se forem transmitidos vários sinais, são necessários dois condutores para cada sinal, e muitas vezes é necessário ou pelo menos benéfico incluir uma conexão de aterramento, mesmo quando todos os sinais são diferenciais. Assim, por exemplo, a transmissão de 16 sinais exigiria 33 condutores (em comparação com 17 para transmissão de terminação única). Isso demonstra uma desvantagem óbvia da sinalização diferencial.

 

Topologia de sinalização diferencial

Benefícios da Sinalização Diferencial

No entanto, existem benefícios importantes da sinalização diferencial que podem mais do que compensar o aumento da contagem de condutores.

Sem corrente de retorno

Como não temos (idealmente) nenhuma corrente de retorno, a referência de terra se torna menos importante. O potencial de terra pode até ser diferente no emissor e no receptor ou movendo-se dentro de uma certa faixa aceitável. No entanto, você precisa ter cuidado porque a sinalização diferencial de acoplamento CC (como USB, RS-485, CAN) geralmente requer um potencial de terra compartilhado para garantir que os sinais permaneçam dentro da tensão de modo comum máxima e mínima permitida da interface.

Resistência a EMI de entrada e diafonia

Se EMI (interferência eletromagnética) ou diafonia (ou seja, EMI gerada por sinais próximos) for introduzida de fora dos condutores diferenciais, ela será adicionada igualmente ao sinal invertido e não invertido. O receptor responde à diferença de voltagem entre os dois sinais e não à voltagem de terminação única (ou seja, referenciada ao terra), e assim o circuito do receptor reduzirá bastante a amplitude da interferência ou diafonia.

É por isso que os sinais diferenciais são menos sensíveis a EMI, diafonia ou qualquer outro ruído que se acople em ambos os sinais do par diferencial.

Redução de EMI de Saída e Crosstalk

Transições rápidas, como as bordas ascendentes e descendentes de sinais digitais, podem gerar quantidades significativas de EMI. Ambos os sinais de terminação única e diferenciais geram EMI, mas os dois sinais em um par diferencial criarão campos eletromagnéticos que são (idealmente) iguais em magnitude, mas opostos em polaridade. Isso, em conjunto com técnicas que mantêm a proximidade entre os dois condutores (como o uso de cabo de par trançado), garante que as emissões dos dois condutores se anulem em grande parte.

Operação de baixa tensão

Os sinais de terminação única devem manter uma tensão relativamente alta para garantir uma relação sinal-ruído (SNR) adequada. As tensões comuns de interface de terminação única são 3.3 V e 5 V. Devido à sua resistência aprimorada ao ruído, os sinais diferenciais podem usar tensões mais baixas e ainda manter uma SNR adequada. Além disso, a SNR da sinalização diferencial é automaticamente aumentada por um fator de dois em relação a uma implementação equivalente de terminação única, porque a faixa dinâmica no receptor diferencial é duas vezes maior que a faixa dinâmica de cada sinal dentro do par diferencial.

A capacidade de transferir dados com sucesso usando tensões de sinal mais baixas traz alguns benefícios importantes:

• Podem ser usadas tensões de alimentação mais baixas.
• Transições de tensão menores
  • reduzir EMI irradiado,
  • reduzir o consumo de energia e
  • permitir frequências de operação mais altas.

Estado alto ou baixo e tempo preciso

Você já se perguntou como exatamente decidimos se um sinal está em um estado lógico alto ou lógico baixo? Em sistemas de terminação única, temos que considerar a tensão da fonte de alimentação, as características de limite do circuito do receptor, talvez o valor de uma tensão de referência. E é claro que existem variações e tolerâncias, que trazem incerteza adicional para a questão lógica-alta ou lógica-baixa.

Em sinais diferenciais, determinar o estado lógico é mais direto. Se a tensão do sinal não invertido for maior que a tensão do sinal invertido, você tem lógica alta. Se a tensão não invertida for menor que a tensão invertida, você tem lógica baixa. E a transição entre os dois estados é o ponto em que os sinais não invertidos e invertidos se cruzam – ou seja, o ponto de cruzamento.

Esta é uma razão pela qual é importante combinar os comprimentos dos fios ou traços que transportam sinais diferenciais: para máxima precisão de tempo, você deseja que o ponto de cruzamento corresponda exatamente à transição lógica, mas quando os dois condutores no par não são iguais comprimento, a diferença no atraso de propagação fará com que o ponto de cruzamento se desloque.

Aplicações

Existem atualmente muitos padrões de interface que empregam sinais diferenciais. Estes incluem o seguinte:

• LVDS (Sinalização Diferencial de Baixa Tensão)
• CML (Lógica do Modo Atual)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Áudio balanceado de alta qualidade

Claramente, as vantagens teóricas da sinalização diferencial foram confirmadas pelo uso prático em inúmeras aplicações do mundo real.

Técnicas Básicas de PCB para Rotear Traços Diferenciais

Finalmente, vamos aprender o básico de como os traços diferenciais são roteados em PCBs. O roteamento de sinais diferenciais pode ser um pouco complexo, mas existem algumas regras básicas que tornam o processo mais direto.

Correspondência de Comprimento e Comprimento – Mantenha-o Igual!

Os sinais diferenciais são (idealmente) iguais em magnitude e opostos em polaridade. Assim, no caso ideal, nenhuma corrente de retorno líquida fluirá através do solo. Essa ausência de corrente de retorno é uma coisa boa, então queremos manter tudo o mais ideal possível, e isso significa que precisamos de comprimentos iguais para os dois traços em um par diferencial.

Quanto maior o tempo de subida/descida do seu sinal (não confundir com a frequência do sinal), mais você precisa garantir que os traços tenham comprimento idêntico. Seu programa de layout pode incluir um recurso que ajuda a ajustar o comprimento dos traços para pares diferenciais. Se você está tendo dificuldade em atingir o mesmo comprimento, você pode usar a técnica do "meandro".

 

Um exemplo de um traço sinuoso

Largura e espaçamento – Mantenha-o constante!

Quanto mais próximos estiverem os condutores diferenciais, melhor será o acoplamento dos sinais. A EMI gerada será cancelada de forma mais eficaz e a EMI recebida será acoplada de forma mais igual em ambos os sinais. Então tente aproximá-los muito.

Você deve direcionar os condutores de pares diferenciais o mais longe possível dos sinais vizinhos, para evitar interferências. A largura e o espaço entre seus traços devem ser selecionados de acordo com a impedância alvo e devem permanecer constantes ao longo de todo o comprimento dos traços. Portanto, se possível, os traços devem permanecer paralelos à medida que percorrem o PCB.

Impedância – Minimize as variações!

Uma das coisas mais importantes a fazer ao projetar um PCB com sinais diferenciais é descobrir a impedância alvo para sua aplicação e, em seguida, dispor seus pares diferenciais de acordo. Além disso, mantenha as variações de impedância tão pequenas quanto possível.

A impedância de sua linha diferencial depende de fatores como a largura do traço, o acoplamento dos traços, a espessura do cobre e o empilhamento de material e camada do PCB. Considere cada um deles ao tentar evitar qualquer coisa que altere a impedância do seu par diferencial.

Não encaminhe sinais de alta velocidade sobre uma lacuna entre áreas de cobre em uma camada plana, pois isso também afeta sua impedância. Tente evitar descontinuidades nos planos de terra.

Recomendações de layout – leia, analise e pense demais!

E, por último, mas não menos importante, há uma coisa muito importante que você deve fazer ao rotear rastreamentos diferenciais: obtenha a folha de dados e/ou notas de aplicação para o chip que está enviando ou recebendo o sinal diferencial, leia as recomendações de layout e analise eles de perto. Dessa forma, você pode implementar o melhor layout possível dentro das restrições de um design específico.

Conclusão

A sinalização diferencial nos permite transmitir informações com tensões mais baixas, boa SNR, melhor imunidade a ruídos e taxas de dados mais altas. Por outro lado, a contagem de condutores aumenta e o sistema precisará de transmissores e receptores especializados em vez de CIs digitais padrão.

Hoje em dia, os sinais diferenciais fazem parte de muitos padrões, incluindo LVDS, USB, CAN, RS-485 e Ethernet e, portanto, todos devemos estar (no mínimo) familiarizados com essa tecnologia. Se você estiver realmente projetando um PCB com sinais diferenciais, lembre-se de consultar as fichas técnicas e notas de aplicativos relevantes e, se necessário, leia este artigo novamente!

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