Les bases : signalisation asymétrique et différentielle

Tout d'abord, nous devons apprendre quelques notions de base sur ce qu'est la signalisation asymétrique avant de pouvoir passer en revue la signalisation différentielle et ses caractéristiques.

Signalisation asymétrique

La signalisation asymétrique est un moyen simple et courant de transmettre un signal électrique d'un expéditeur à un récepteur. Le signal électrique est transmis par une tension (souvent une tension variable), qui est référencée à un potentiel fixe, généralement un nœud de 0 V appelé « masse ».

Un conducteur transporte le signal et un conducteur transporte le potentiel de référence commun. Le courant associé au signal se déplace de l'expéditeur au récepteur et retourne à l'alimentation via la connexion à la terre. Si plusieurs signaux sont transmis, le circuit nécessitera un conducteur pour chaque signal plus une connexion à la terre partagée ; ainsi, par exemple, 16 signaux peuvent être transmis à l'aide de 17 conducteurs.

 

Topologie asymétrique

Signalisation différentielle

La signalisation différentielle, qui est moins courante que la signalisation asymétrique, utilise deux signaux de tension complémentaires afin de transmettre un signal d'information. Ainsi, un signal d'information nécessite une paire de conducteurs ; l'un porte le signal et l'autre porte le signal inversé.

 

Monophasé vs différentiel : chronogramme générique

 

Le récepteur extrait des informations en détectant la différence de potentiel entre les signaux inversés et non inversés. Les deux signaux de tension sont "équilibrés", ce qui signifie qu'ils ont une amplitude égale et une polarité opposée par rapport à une tension de mode commun. Les courants de retour associés à ces tensions s'équilibrent également et s'annulent ainsi ; pour cette raison, nous pouvons dire que les signaux différentiels ont (idéalement) un courant nul circulant dans la connexion à la terre.

Avec la signalisation différentielle, l'émetteur et le récepteur ne partagent pas nécessairement une référence de masse commune. Cependant, l'utilisation de la signalisation différentielle ne signifie pas que les différences de potentiel de masse entre l'émetteur et le récepteur n'ont aucun effet sur le fonctionnement du circuit.

Si plusieurs signaux sont transmis, deux conducteurs sont nécessaires pour chaque signal, et il est souvent nécessaire ou au moins avantageux d'inclure une connexion à la terre, même lorsque tous les signaux sont différentiels. Ainsi, par exemple, la transmission de 16 signaux nécessiterait 33 conducteurs (contre 17 pour une transmission asymétrique). Cela démontre un inconvénient évident de la signalisation différentielle.

 

Topologie de signalisation différentielle

Avantages de la signalisation différentielle

Cependant, la signalisation différentielle présente des avantages importants qui peuvent plus que compenser le nombre accru de conducteurs.

Pas de courant de retour

Comme nous n'avons (idéalement) pas de courant de retour, la référence à la terre devient moins importante. Le potentiel de terre peut même être différent au niveau de l'émetteur et du récepteur ou se déplacer dans une certaine plage acceptable. Cependant, vous devez être prudent car la signalisation différentielle à couplage CC (telle que USB, RS-485, CAN) nécessite généralement un potentiel de masse partagé pour garantir que les signaux restent dans les tensions de mode commun maximales et minimales admissibles de l'interface.

Résistance aux EMI entrants et à la diaphonie

Si l'EMI (interférence électromagnétique) ou la diaphonie (c'est-à-dire, l'EMI généré par des signaux proches) est introduit de l'extérieur des conducteurs différentiels, il est ajouté également au signal inversé et non inversé. Le récepteur répond à la différence de tension entre les deux signaux et non à la tension asymétrique (c'est-à-dire référencée à la masse), et ainsi les circuits du récepteur réduiront considérablement l'amplitude de l'interférence ou de la diaphonie.

C'est pourquoi les signaux différentiels sont moins sensibles aux EMI, à la diaphonie ou à tout autre bruit qui se couple dans les deux signaux de la paire différentielle.

Réduction des EMI sortants et de la diaphonie

Les transitions rapides, telles que les fronts montants et descendants des signaux numériques, peuvent générer des quantités importantes d'interférences électromagnétiques. Les signaux asymétriques et différentiels génèrent tous deux des EMI, mais les deux signaux d'une paire différentielle créeront des champs électromagnétiques d'amplitude (idéalement) égale mais de polarité opposée. Ceci, en conjonction avec des techniques qui maintiennent une proximité étroite entre les deux conducteurs (comme l'utilisation de câbles à paires torsadées), garantit que les émissions des deux conducteurs s'annuleront en grande partie.

Fonctionnement à basse tension

Les signaux asymétriques doivent maintenir une tension relativement élevée pour assurer un rapport signal/bruit (SNR) adéquat. Les tensions d'interface asymétriques courantes sont de 3.3 V et 5 V. En raison de leur résistance améliorée au bruit, les signaux différentiels peuvent utiliser des tensions plus faibles tout en conservant un SNR adéquat. De plus, le SNR de la signalisation différentielle est automatiquement augmenté d'un facteur deux par rapport à une implémentation asymétrique équivalente, car la plage dynamique au niveau du récepteur différentiel est deux fois plus élevée que la plage dynamique de chaque signal au sein de la paire différentielle.

La possibilité de transférer avec succès des données à l'aide de tensions de signal inférieures présente quelques avantages importants :

• Des tensions d'alimentation inférieures peuvent être utilisées.
• Transitions de tension plus petites
  • réduire les interférences électromagnétiques rayonnées,
  • réduire la consommation d'énergie et
  • permettre des fréquences de fonctionnement plus élevées.

État haut ou bas et synchronisation précise

Vous êtes-vous déjà demandé comment nous décidons exactement si un signal est dans un état logique haut ou logique bas ? Dans les systèmes asymétriques, nous devons considérer la tension d'alimentation, les caractéristiques de seuil du circuit récepteur, peut-être la valeur d'une tension de référence. Et bien sûr, il existe des variations et des tolérances, qui apportent une incertitude supplémentaire dans la question logique haut ou logique bas.

Dans les signaux différentiels, la détermination de l'état logique est plus simple. Si la tension du signal non inversé est supérieure à la tension du signal inversé, vous avez un niveau logique haut. Si la tension non inversée est inférieure à la tension inversée, vous avez un niveau logique bas. Et la transition entre les deux états est le point d'intersection des signaux non inversés et inversés, c'est-à-dire le point de croisement.

C'est l'une des raisons pour lesquelles il est important de faire correspondre les longueurs des fils ou des pistes transportant des signaux différentiels : pour une précision de synchronisation maximale, vous voulez que le point de croisement corresponde exactement à la transition logique, mais lorsque les deux conducteurs de la paire ne sont pas égaux longueur, la différence de délai de propagation entraînera le décalage du point de croisement.

Applications

Il existe actuellement de nombreuses normes d'interface qui utilisent des signaux différentiels. Il s'agit notamment des éléments suivants :

• LVDS (signalisation différentielle basse tension)
• CML (logique de mode courant)
• RS485
• RS422
• Ethernet
• CAN
• USB
• Son équilibré de haute qualité

De toute évidence, les avantages théoriques de la signalisation différentielle ont été confirmés par une utilisation pratique dans d'innombrables applications du monde réel.

Techniques PCB de base pour le routage des traces différentielles

Enfin, apprenons les bases du routage des traces différentielles sur les PCB. Le routage des signaux différentiels peut être un peu complexe, mais il existe quelques règles de base qui rendent le processus plus simple.

Longueur et correspondance de longueur - Gardez-le égal !

Les signaux différentiels sont (idéalement) égaux en amplitude et opposés en polarité. Ainsi, dans le cas idéal, aucun courant de retour net ne traversera la terre. Cette absence de courant de retour est une bonne chose, nous voulons donc que tout soit aussi idéal que possible, ce qui signifie que nous avons besoin de longueurs égales pour les deux traces d'une paire différentielle.

Plus le temps de montée/descente de votre signal est élevé (à ne pas confondre avec la fréquence du signal), plus vous devez vous assurer que les traces ont une longueur identique. Votre programme de mise en page peut inclure une fonctionnalité qui vous aide à affiner la longueur des traces pour les paires différentielles. Si vous avez des difficultés à atteindre une longueur égale, vous pouvez utiliser la technique du « méandre ».

 

Un exemple de trace sinueuse

Largeur et espacement - Gardez-le constant !

Plus les conducteurs différentiels sont proches, meilleur sera le couplage des signaux. L'EMI généré s'annulera plus efficacement et l'EMI reçu se couplera plus également dans les deux signaux. Essayez donc de les rapprocher vraiment.

Vous devez acheminer les conducteurs à paire différentielle aussi loin que possible des signaux voisins, afin d'éviter les interférences. La largeur et l'espace entre vos traces doivent être sélectionnés en fonction de l'impédance cible et doivent rester constants sur toute la longueur des traces. Donc, si possible, les traces doivent rester parallèles lorsqu'elles se déplacent autour du PCB.

Impédance – Minimisez les variations !

L'une des choses les plus importantes à faire lors de la conception d'un PCB avec des signaux différentiels est de trouver l'impédance cible pour votre application, puis de disposer vos paires différentielles en conséquence. Aussi, gardez les variations d'impédance aussi faibles que possible.

L'impédance de votre ligne différentielle dépend de facteurs tels que la largeur de la piste, le couplage des pistes, l'épaisseur du cuivre et le matériau du PCB et l'empilement des couches. Considérez chacun de ces éléments lorsque vous essayez d'éviter tout ce qui modifie l'impédance de votre paire différentielle.

N'acheminez pas les signaux à grande vitesse sur un espace entre les zones de cuivre sur une couche plane, car cela affecte également votre impédance. Essayez d'éviter les discontinuités dans les plans de masse.

Recommandations de mise en page - Lisez, analysez et réfléchissez-y !

Et, last but not least, il y a une chose très importante que vous devez faire lors du routage des traces différentielles : obtenez la fiche technique et/ou les notes d'application de la puce qui envoie ou reçoit le signal différentiel, lisez les recommandations de mise en page et analysez eux de près. De cette façon, vous pouvez mettre en œuvre la meilleure disposition possible dans les contraintes d'une conception particulière.

Conclusion

La signalisation différentielle nous permet de transmettre des informations avec des tensions plus faibles, un bon SNR, une meilleure immunité au bruit et des débits de données plus élevés. D'un autre côté, le nombre de conducteurs augmente et le système aura besoin d'émetteurs et de récepteurs spécialisés au lieu de circuits intégrés numériques standard.

De nos jours, les signaux différentiels font partie de nombreuses normes, notamment LVDS, USB, CAN, RS-485 et Ethernet, et nous devrions donc tous être (à tout le moins) familiers avec cette technologie. Si vous concevez réellement un PCB avec des signaux différentiels, n'oubliez pas de consulter les fiches techniques et notes d'application pertinentes, et si nécessaire, relisez cet article !

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