Ruido de modo común en engranajes diferenciales: características y causas.

El ruido es una perturbación no deseada que interfiere con la señal deseada en un circuito electrónico y provoca errores en el sistema. Las contramedidas que tomamos para suprimir el componente de ruido dependen de si es modo común o modo diferencial. En este artículo, aprenderá cómo el ruido de modo común puede interferir con las señales diferenciales. Luego analizamos las fuentes de ruido de modo común en conexiones diferenciales, centrándonos en el sesgo temporal.

Antes de hablar de ruido, veamos cómo funciona la transmisión diferencial.

Engranajes diferenciales: conceptos básicos

En una configuración diferencial, un par de líneas transmite señales de igual amplitud pero de polaridad opuesta, como se muestra en la Figura 1. El nivel de señal representado por un par diferencial es la diferencia entre los voltajes de las dos líneas de señal.

Ilustración 1. Formas de onda que se propagan a través de una conexión diferencial. Imagen cortesía de Steve Arar

Las interfaces de transferencia de datos de alta velocidad (USB, HDMI, Ethernet y DDR, por nombrar algunos ejemplos) suelen utilizar señalización diferencial. Este tipo de transmisión de datos tiene numerosas ventajas sobre la transmisión de un solo extremo, especialmente a altas frecuencias.

Insensibilidad al ruido

La principal ventaja de la configuración diferencial es la mayor inmunidad a las interferencias externas. Cuando el ruido externo se acopla por igual en ambas líneas, aparece como una señal de modo común que no cambia la diferencia de voltaje entre las dos líneas. Por tanto, el ruido de modo común se elimina automáticamente en el receptor.

Sin embargo, las líneas diferenciales reales aún pueden verse afectadas por el ruido de modo común. Hay dos razones. La primera es que los ruidos externos no necesariamente están acoplados igualmente a ambas líneas.

Imagine una traza de un solo extremo encaminada paralela a una ruta diferencial. La línea de un solo extremo causa mayor ruido en la línea de señal más cercana. En este caso, parte del ruido se convierte al modo diferencial debido al acoplamiento desigual. En este punto, el ruido ya no puede eliminarse mediante la diferencia de voltaje entre las dos líneas de señal.

También sabemos por los cursos de electrónica básica que nuestros circuitos tienen una capacidad limitada para detectar señales diferenciales y rechazar señales de modo común. Esta dimensión de rendimiento se caracteriza por la especificación CMRR (Relación de rechazo de modo común) del circuito. Por lo tanto, aunque el receptor puede suprimir el componente de modo común, no puede eliminarlo por completo.

A pesar de estos problemas, la señalización diferencial sigue siendo un método muy eficaz para reducir el impacto del ruido de modo común en el rendimiento del sistema. Además, la transmisión diferencial ofrece beneficios más allá de la inmunidad al ruido.

Otras ventajas: Menos radiación y reflexión sobre el suelo

Una conexión diferencial utiliza dos líneas coincidentes que transportan señales de igual magnitud pero de polaridad opuesta. De hecho, las dos líneas de señal emiten campos magnéticos iguales pero opuestos que interfieren destructivamente y producen mucha menos radiación espuria que una señal de un solo extremo (Figura 2).

Figura 2. Los campos magnéticos de las dos líneas coordinadas interfieren destructivamente. Imagen cortesía de Altium

Las configuraciones diferenciales también son menos propensas al rebote en el suelo. Para entender esto, tenga en cuenta que las dos líneas de señal actúan como rutas de retorno de corriente entre sí. Por lo tanto, una conexión diferencial ideal no tiene corriente de retorno a través del plano de tierra de la placa, a diferencia de la configuración de un solo extremo. La figura 3 ilustra la diferencia.

Figura 3. Con una conexión diferencial, no fluye corriente a través del plano de tierra. Imagen cortesía de STMicroelectronics

Idealmente queremos transmitir una señal puramente diferencial a través de la conexión. En la práctica, esta señal se ve corrompida por el ruido de modo común. Antes de examinar de dónde proviene este ruido, echemos un vistazo a los posibles caminos que podrían tomar las señales de modo común.

Propagación en modo común en conexiones diferenciales.

Una conexión de dos cables no puede transmitir una señal de modo común. Estas conexiones sólo pueden admitir señales en modo diferencial. Sin embargo, debido a que nuestros PCB también tienen una conexión a tierra, nuestras conexiones son en realidad de varios cables, no de dos cables.

El plano de tierra, junto con las dos líneas de señal diferencial, forma una conexión multiconductor que puede transmitir señales tanto de modo común como de modo diferencial. La Figura 4 muestra el patrón general de campos eléctricos para señales de modo común y modo diferencial de dicha configuración.

Figura 4. Sección transversal de una conexión de dos hilos sobre un plano de tierra. Imagen cortesía de D. Jackson

Vemos que una estructura de tres cables puede admitir señales tanto en modo diferencial como en modo común. En una señal de modo común, las dos líneas de señal actúan esencialmente como un solo cable, y la corriente de retorno fluye a través del plano de tierra de regreso a la fuente.

La Figura 5 muestra un ejemplo más general. Se coloca una placa de circuito cerca de un chasis de metal.

Figura 5. Ruido de modo común en una PCB con estructura metálica. Imagen cortesía de TDK

En este caso, la corriente de ruido de modo común que fluye a través de las líneas de señal regresa a través del chasis hasta la fuente. Luego cierra el circuito fluyendo a través de las capacitancias parásitas entre las líneas de señal y el chasis. El ruido de modo común es causado por capacitancia parásita y acoplamiento magnético entre líneas de señal adyacentes. Dado que el acoplamiento capacitivo aumenta con la frecuencia, es más probable que las señales de mayor frecuencia produzcan ruido de modo común.

Sesgo como fuente de ruido de modo común

Otra fuente de ruido de modo común es el desplazamiento entre las dos líneas de una conexión diferencial. La desviación es la diferencia en la sincronización de dos formas de onda que deberían estar alineadas. Como muestra la Figura 6, esto hace que las formas de onda pierdan su simetría y creen un componente de modo común.

Figura 6. Un desplazamiento entre las líneas de señal D+ y D- crea ruido de modo común. Imagen cortesía de Steve Arar

Un desajuste de longitud entre las dos pistas y/o una diferencia en los tiempos de subida y bajada de las D+ y D– Las señales provocan un desplazamiento entre las dos señales. Además, el sesgo puede deberse a una variedad de fuentes que incluyen:

Aunque podemos reducir la compensación, no podemos eliminarla por completo. Por ejemplo, considere cómo las variaciones en la construcción del tejido de fibras de un sustrato de PCB provocan sesgos.

El efecto del tejido de fibras.

Los laminados y núcleos de PCB están hechos de tela de vidrio impregnada de resina. Esta estructura tejida puede provocar un desfase de tiempo en una tabla de alta velocidad. Para entender por qué, considere el material de PCB de vidrio tejido en la Figura 7.

Figura 7. Imagen de gran aumento de un material de PCB de vidrio tejido. Imagen cortesía de Isola

Las trazas (1) y (2) en la figura tienen diferentes constantes dieléctricas efectivas y, por lo tanto, diferentes velocidades de señal. En tiempos de subida lentos (>1 ns) y frecuencias bajas (<1 GHz), el efecto de tejido de la fibra puede ser insignificante. Sin embargo, el tejido de fibra puede afectar significativamente el rendimiento del sistema en interconexiones de alta velocidad y sistemas de RF de alta frecuencia que requieren coincidencia de fases.

Para obtener un resumen de varios métodos para mitigar el efecto del tejido de la fibra, consulte «Cómo el efecto del tejido de la fibra afecta la integridad de la señal de radiofrecuencia» en el sitio web de Altium.

Filtro de modo común

Idealmente, deberíamos intentar evitar la transmisión de una señal de modo común a través de nuestras conexiones diferenciales: el componente de modo común aumenta el ruido en el receptor, la radiación de la conexión y el efecto de reflexión del suelo. En realidad, el ruido en modo común puede ocurrir a pesar de nuestras mejores intenciones, ya sea debido a una falta de coincidencia entre las pistas o si está acoplado a una línea diferencial desde una fuente de ruido externa.

Para abordar el problema del ruido de modo común, utilizamos filtros de modo común. Estos dispositivos crean una ruta de alta impedancia para las corrientes de modo común y al mismo tiempo permiten que las señales de modo diferencial pasen prácticamente sin verse afectadas. Analizaremos los filtros de modo común con más detalle en un artículo futuro.