W szybkich interfejsach transmisji danych, takich jak USB, HDMI i Ethernet, do przesyłania danych stosowane są sygnały różnicowe. Ich wybór nie jest przypadkowy – odznaczają się one bardzo dużą odpornością na zakłócenia. Ten rodzaj transmisji nie zapewnia jednak stuprocentowej ochrony. Nadal pojawiają się pewne zakłócenia, i aby skutecznie z nimi walczyć musimy zrozumieć, skąd się biorą.

Szumy to niepożądane składniki wprowadzane do sygnału użytkowego w obwodzie elektronicznym, które zakłócają go wprowadzając błąd do systemu. Środki zaradcze, które podejmujemy w celu stłumienia szumu, zależą od tego, czy jest to szum wspólny, czy różnicowy.

Zanim porozmawiamy o szumach, przyjrzyjmy się, jak działa transmisja różnicowa.

Transmisja różnicowa – podstawowe pojęcia

W konfiguracji różnicowej para linii przesyła sygnały o równej amplitudzie, ale w przeciwnej polaryzacji (rys. 1). Sygnału reprezentowany przez parę różnicową jest różnicą między napięciami dwóch linii sygnałowych.

Rys. 1. Przebiegi transmitowane łączem różnicowym

Różnicowa transmisja danych ma wiele zalet w porównaniu z transmisją jednoprzewodową (w rzeczywistości chodzi o jeden przewód sygnałowy i przewód powrotny), szczególnie przy wysokich częstotliwościach.

Odporność na zakłócenia

Główną zaletą konfiguracji różnicowej jest wyższa odporność na zakłócenia zewnętrzne. Jeśli zewnętrzny szum sprzęga się w równym stopniu z obiema liniami, pojawia się jako sygnał w wspólny (common mode), który nie zmienia różnicy napięć między dwiema liniami. Szum wspólny jest zatem z natury usuwany w odbiorniku. Jednak w rzeczywistych liniach różnicowych szum ten nadal może występować. Istnieją ku temu dwa powody, a pierwszym z nich jest fakt, że zewnętrzny szum niekoniecznie łączy się w równym stopniu z obiema liniami.

Weźmy pod uwagę pojedynczą ścieżkę PCB poprowadzoną równolegle ze ścieżką różnicową. Ścieżka single-ended wprowadza większy szum do bliższej linii sygnałowej. W tym przypadku część szumu jest konwertowana na szum różnicowy ze względu na nierówne sprzężenie. W takim przypadku, jeśli bierzemy pod uwagę różnicę napięć między dwiema liniami sygnałowymi, szumu nie można już wyeliminować.

Z podstawowych kursów elektroniki wiemy również, że nasze obwody mają ograniczoną zdolność do wykrywania sygnałów różnicowych przy jednoczesnym odrzucaniu sygnałów wspólnych. Ten wymiar wydajności jest charakteryzowany przez współczynnik CMRR (Common-mode Rejection Ratio) obwodu. Dlatego, mimo, że odbiornik może tłumić składową wspólną, nie może jej jednak wyeliminować całkowicie.

Pomimo tych problemów, transmisja różnicowa jest nadal bardzo skuteczną metodą zmniejszania wpływu szumów w wspólnych na wydajność systemu. Co więcej, transmisja różnicowa ma zalety wykraczające poza odporność na zakłócenia.

Inne zalety: Mniejsze promieniowanie i odbicia od podłoża

Łącze różnicowe używa dwóch dopasowanych linii przenoszących równe sygnały, ale o przeciwnej polaryzacji. W rzeczywistości dwie linie sygnałowe emitują równe, ale przeciwne pola magnetyczne, które zakłócają się destrukcyjnie, wytwarzając znacznie niższe niepożądane promieniowanie niż w przypadku sygnału single-ended (rys. 2).

Rys. 2. Pola magnetyczne dwóch dopasowanych linii w łączu różnicowym zakłócają się destrukcyjnie (Altium)

Konfiguracje różnicowe są również mniej podatne na odbicia od podłoża. Aby to zrozumieć, należy zauważyć, że dwie linie sygnałowe działają na siebie nawzajem jako ścieżki prądu powrotnego. Dlatego też, w przeciwieństwie do konfiguracji single-ended, w idealnym połączeniu różnicowym nie ma prądu powrotnego przez płaszczyznę uziemienia płytki. Wyjaśniono to na rys. 3.

Rys. 3. Przepływ prądu w transmisji single-ended (u góry) i różnicowej (u dołu).

W idealnej sytuacji zamierzamy przesyłać czysto różnicowy sygnał wzdłuż linii transmisyjnej. W praktyce sygnał ten będzie zakłócany przez szum wspólny. Zanim zbadamy skąd on pochodzi, przyjrzyjmy się potencjalnym ścieżkom, którymi mogą podążać sygnały wspólne.

Propagacja zakłóceń wspólnych w połączeniach różnicowych

Połączenie dwuprzewodowe (singl-ended) nie może przenosić sygnału wspólnego. Takie połączenia mogą obsługiwać tylko sygnały różnicowe. Jednakże nasze płytki PCB zawierają również uziemienie, połączenia są więc w rzeczywistości wieloprzewodowe, a nie dwuprzewodowe.

Płaszczyzna uziemienia, wraz z dwiema różnicowymi liniami sygnałowymi, tworzy wieloprzewodowe połączenie, które może przesyłać zarówno sygnały wspólne, jak i różnicowe. Na rys. 4 przedstawiono linie pól elektrycznych dla sygnałów wspólnych i różnicowych w takiej konfiguracji.

Rys. 4. Przekrój połączenia dwuprzewodowego nad płaszczyzną uziemienia. (D. Jackson)

Widzimy, że struktura trójprzewodowa może obsługiwać zarówno sygnały w różnicowe, jak i wspólne. W przypadku sygnałów wspólnych, dwie linie sygnałowe skutecznie działają jako pojedynczy przewód z prądem powrotnym przepływającym przez płaszczyznę uziemienia z powrotem do źródła. Rysunek 5 przedstawia bardziej ogólny przykład. W tym przypadku płytka drukowana jest umieszczona blisko metalowej obudowy.

Rys. 5. Szum wspólny na płytce drukowanej z metalową ramą. (TDK)

W tym przypadku prąd szumu wspólnego płynący przez linie sygnałowe przemieszcza się z powrotem w kierunku źródła przez obudowę. Następnie uzupełnia pętlę, przepływając przez pojemności rozproszone między liniami sygnałowymi a obudową. Szumy wspólne są wprowadzane przez pojemności rozproszone i sprzężenie magnetyczne między pobliskimi liniami sygnałowymi. Ponieważ sprzężenie pojemnościowe wzrasta wraz z częstotliwością, sygnały o wyższej częstotliwości są bardziej narażone na generowanie zakłóceń wspólnych.

Zniekształcenia skośne jako źródło szumów wspólnych

Innym źródłem szumu wspólnego są zniekształcenia skrośne (Skew) występujące między dwiema liniami łącza różnicowego. Skew to różnica w taktowaniu dwóch przebiegów, które powinny być wyrównane. Na rys. 6 została przedstawiona sytuacja, w której przebiegi tracą swoją symetrię i tworzą składową wspólną.

Rys. 6. Przekrzywienie między liniami sygnałowymi D+ i D- tworzy szum wspólny (Steve’a Arara)

Niedopasowanie długości między dwoma ścieżkami i/lub różnica w czasach narastania i opadania sygnałów D+ i D- prowadzi do przekrzywienia między dwoma sygnałami. Mogą być one wytwarzane również przez inne źródła, w tym:

• Szum termiczny
• Odbicie od podłoża
• Przesłuch
• Konstrukcja PCB

Zniekształcenia takie możemy zmniejszać, ale nie możemy ich wyeliminować całkowicie.

Rozważmy na przykład, w jaki sposób różnice w konstrukcji splotu włókien podłoża PCB powodują przekrzywienie sygnału.

Efekt splotu włókien

Laminaty i rdzenie PCB są wykonane z tkanego szkła impregnowanego żywicą. Ta tkana struktura może prowadzić do przekrzywiania zboczy sygnałów taktujących o dużej prędkości. Aby zrozumieć dlaczego, należy rozważyć tkany szklany materiał PCB na rys. 7.

Rys. 7. Obraz tkanego szklanego materiału PCB w dużym powiększeniu. (Isola)

Ścieżki (1) i (2) na rysunku mają różne efektywne stałe dielektryczne, a tym samym różne prędkości sygnału. Przy wolnych czasach narastania (>1 ns) i niskich częstotliwościach (<1 GHz) efekt splotu włókien może być nieistotny. Jednak wzór splotu włókien może znacząco wpłynąć na wydajność systemu z szybką transmisją danych i w systemach RF o wysokiej częstotliwości, które wymagają dopasowania fazowego.

Filtry Common Mode

W idealnej sytuacji powinniśmy dążyć do unikania przesyłania sygnału wspólnego przez łącza różnicowe – składnik w trybie wspólnym zwiększa szum w odbiorniku, promieniowanie z łącza i efekt odbicia od podłoża. W rzeczywistości szum wspólny może wystąpić pomimo naszych najlepszych intencji, niezależnie od tego, czy wynika on z niedopasowania między ścieżkami, czy też jest sprzężony z linią różnicową z zewnętrznego źródła szumu.

Aby rozwiązać kwestię szumów wspólnych, używamy filtrów szumu wspólnego. Urządzenia te tworzą ścieżkę o wysokiej impedancji dla prądów wspólnych, jednocześnie umożliwiając przepływ sygnałów różnicowych.

Źródło: Dr. Steve Arar „Common-Mode Noise in Differential Transmissions: Characteristics and Causes” – All abort circuits