Señalización diferencial

Señalización diferencial es un método de transmisión eléctrica de información utilizando dos señales complementarias. La técnica envía la misma señal eléctrica como un par diferencial de señales, cada una en su propio conductor. El par de conductores puede ser alambres en un cable de par trenzado o plano o pistas en una placa de circuito impreso.

Eléctricamente, los dos conductores transportan señales de voltaje que son iguales en magnitud, pero de polaridad opuesta. El circuito receptor responde a la diferencia entre las dos señales, lo que da como resultado una señal con una magnitud dos veces mayor.

Las señales simétricas de señalización diferencial pueden denominarse equilibradas, pero este término se aplica más apropiadamente a circuitos balanceados y líneas balanceadas que rechazan la interferencia de modo común cuando se alimentan a un receptor diferencial. La señalización diferencial no hace que una línea sea equilibrada, ni el rechazo de ruido en circuitos equilibrados requiere señalización diferencial.

La señalización diferencial se contrasta con la señalización de un solo extremo que impulsa solo un conductor con señal, mientras que el otro está conectado a un voltaje de referencia fijo.

Ventajas

Contrariamente a la creencia popular, la señalización diferencial no afecta la cancelación de ruido. Las líneas balanceadas con receptores diferenciales rechazarán el ruido independientemente de si la señal es diferencial o de un solo extremo, pero dado que el rechazo del ruido de la línea balanceada requiere un receptor diferencial de todos modos, la señalización diferencial se usa a menudo en líneas balanceadas. Algunos de los beneficios de la señalización diferencial incluyen:

• Tensión de señal doble entre el par diferencial (comparada a una señal de un solo soporte del mismo nivel nominal), dando 6 dB de espacio adicional.
• El ruido de movimiento común entre los dos amplificadores (por ejemplo, del rechazo de la fuente de alimentación imperfecta) es fácilmente rechazado por un receptor diferencial.
• Las carreras de cable más largas son posibles debido a este aumento de la inmunidad de ruido y 6 dB de espacio extra.
• A frecuencias más altas, la impedancia de salida del amplificador de salida puede cambiar, dando lugar a un pequeño desequilibrio. Cuando se conduzca en modo diferencial por dos amplificadores idénticos, este cambio de impedancia será el mismo para ambas líneas, y así se cancelará.

La señalización diferencial funciona tanto para señalización analógica, como en audio balanceado, como en señalización digital, como en RS-422, RS-485, Ethernet sobre par trenzado, PCI Express, DisplayPort, HDMI y USB.

Adecuación para uso con electrónica de baja tensión

La industria electrónica, especialmente en dispositivos portátiles y móviles, se esfuerza continuamente por reducir el voltaje de suministro para ahorrar energía. Sin embargo, una baja tensión de suministro reduce la inmunidad de ruido. La señalización diferencial ayuda a reducir estos problemas porque, para un voltaje de suministro dado, proporciona el doble de la inmunidad de ruido de un sistema único.

Para ver por qué, considere un sistema digital único con tensión de suministro VS{displaystyle V_{S}. El alto nivel de lógica es VS{displaystyle V_{S} y el bajo nivel lógico es 0 V. Por consiguiente, la diferencia entre los dos niveles VS− − 0V=VS{displaystyle V_{S}-0,mathrm {V} =V_{S}. Ahora considere un sistema diferencial con el mismo voltaje de suministro. La diferencia de tensión en el estado alto, donde hay un alambre VS{displaystyle V_{S} y el otro en 0 V, es VS− − 0V=VS{displaystyle V_{S}-0,mathrm {V} =V_{S}. La diferencia de tensión en el estado bajo, donde se intercambian los voltajes en los alambres, es 0V− − VS=− − VS{fnMicrosoft Sans Serif} -V_{S}=-V_{S}. Por lo tanto, la diferencia entre niveles altos y bajos de lógica es VS− − ()− − VS)=2VS{displaystyle V_{S}-(-V_{S}=2V_{S}. Esto es el doble de la diferencia del sistema de un solo sistema. Si el ruido de voltaje en un alambre no está relacionado con el ruido en el otro, se necesita el doble de ruido para causar un error con el sistema diferencial como con el sistema único. En otras palabras, la señalización diferencial duplica la inmunidad de ruido.

Comparación con señalización unidireccional

En la señalización de un solo extremo, el transmisor genera un voltaje único que el receptor compara con un voltaje de referencia fijo, ambos relativos a una conexión a tierra común compartida por ambos extremos. En muchos casos, los diseños de un solo extremo no son factibles. Otra dificultad es la interferencia electromagnética que puede generar un sistema de señalización de un solo extremo que intenta operar a alta velocidad.

Relación con interfaces equilibradas

Cuando se transmiten señales de manera diferencial entre dos equipos, es común hacerlo a través de una interfaz balanceada. Una interfaz es un subsistema que contiene tres partes: un controlador, una línea y un receptor. Estos tres componentes completan un circuito completo por el que viaja una señal y las impedancias de este circuito son las que determinan si la interfaz en su conjunto está balanceada o no: "Un circuito balanceado es un circuito de dos conductores en el que ambos conductores y todos los circuitos conectados a ellos tienen la misma impedancia a tierra y a todos los demás conductores." Se desarrollaron interfaces balanceadas como esquema de protección contra el ruido. En teoría puede rechazar cualquier interferencia siempre que sea en modo común (tensiones que aparecen con igual magnitud y misma polaridad en ambos conductores).

Existe una gran confusión sobre lo que constituye una interfaz balanceada y cómo se relaciona con la señalización diferencial. En realidad, son dos conceptos completamente independientes: la interfaz equilibrada se refiere al rechazo del ruido y las interferencias, mientras que la señalización diferencial sólo se refiere al espacio libre. El equilibrio de impedancias de un circuito no determina las señales que puede transportar y viceversa.

Usos de pares diferenciales

La técnica minimiza la diafonía electrónica y la interferencia electromagnética, tanto la emisión como la aceptación de ruido, y puede lograr una impedancia característica constante o conocida, lo que permite técnicas de adaptación de impedancia importantes en una línea de transmisión de señal de alta velocidad o en una línea balanceada y balanceada de alta calidad. ruta de la señal de audio del circuito.

Los pares diferenciales incluyen:

• Cables de doble empuje, blindados y desenrollados
• Microstrip y técnicas diferenciales de routing de par de rayas en tableros de circuito impresos

Los pares diferenciales generalmente transportan señales diferenciales o semidiferenciales, como interfaces seriales digitales de alta velocidad que incluyen LVDS diferencial ECL, PECL, LVPECL, Hypertransport, Ethernet sobre par trenzado, interfaz digital serial, RS-422, RS-485, USB, Serial ATA, TMDS, FireWire, HDMI, etc., o bien señales analógicas de alta calidad y/o alta frecuencia (p. ej. señales de vídeo, señales de audio balanceadas, etc.).

Ejemplos de tarifas de datos

Las velocidades de datos de algunas interfaces implementadas con pares diferenciales incluyen lo siguiente:

• ATA serie – 1,5 Gbit/s
• Hypertransport – 1.6 Gbit/s
• Infiniband – 2,5 Gbit/s
• PCI Express – 2,5 Gbit/s
• Revisión de ATA serie 2.0 – 2.4 Gbit/s
• XAUI – 3.125 Gbit/s
• Revisión de ATA serie 3.0 – 6 Gbit/s
• PCI Express 2.0 – 5.0 Gbit/s por carril
• 10 Gigabit Ethernet – 10 Gbit/s (cuatro pares diferenciales que funcionan a 2,5 Gbit/s cada uno)
• DDR SDRAM – 3.2 Gbit/s (los estrobos diferenciales recubren datos únicos)

Líneas de transmisión

El tipo de línea de transmisión que conecta dos dispositivos (chips, módulos) a menudo dicta el tipo de señalización. La señalización de un solo extremo se utiliza normalmente con cables coaxiales, en los que un conductor protege totalmente al otro del entorno. Todas las pantallas (o escudos) se combinan en una sola pieza de material para formar un terreno común. Sin embargo, la señalización diferencial se utiliza normalmente con un par de conductores balanceados. Para cables cortos y bajas frecuencias, los dos métodos son equivalentes, por lo que se pueden utilizar circuitos baratos de un solo extremo con una tierra común con cables baratos. A medida que las velocidades de señalización se vuelven más rápidas, los cables comienzan a comportarse como líneas de transmisión.

Use en computadoras

La señalización diferencial a menudo se usa en las computadoras para reducir la interferencia electromagnética, porque el detección completa no es posible con microstripas y chips en las computadoras, debido a las limitaciones geométricas y el hecho de que el detección no funciona en DC. Si una línea de fuente de alimentación de CC y una línea de señal de bajo voltaje comparten el mismo terreno, la corriente de energía que regresa a través del suelo puede inducir un voltaje significativo en ella. Un terreno de baja resistencia reduce este problema hasta cierto punto. Un par equilibrado de líneas de microstrip es una solución conveniente porque no necesita una capa de PCB adicional, como lo hace una línea de strip. Debido a que cada línea causa una corriente de imagen coincidente en el plano de tierra, lo que se requiere de todos modos para suministrar energía, el par parece cuatro líneas y, por lo tanto, tiene una distancia de diafonía más corta que un par simple aislado. De hecho, se comporta así como un par retorcido. La diafonía baja es importante cuando muchas líneas se empaquetan en un espacio pequeño, como en una PCB típica.

Señalización diferencial de alta tensión

señalización diferencial de alto voltaje (HVD) utiliza señales de alto voltaje. En electrónica informática, alto voltaje normalmente significa 5 voltios o más.

Las variaciones de SCSI-1 incluían una implementación de diferencial de alto voltaje (HVD) cuya longitud máxima de cable era muchas veces mayor que la de la versión de un solo extremo. Los equipos SCSI, por ejemplo, permiten una longitud total máxima de cable de 25 metros usando HVD, mientras que SCSI de un solo extremo permite una longitud máxima de cable de 1,5 a 6 metros, dependiendo de la velocidad del bus. Las versiones LVD de SCSI permiten longitudes de cable inferiores a 25 m, no por el voltaje más bajo, sino porque estos estándares SCSI permiten velocidades mucho más altas que el antiguo HVD SCSI.

El término genérico señalización diferencial de alta tensión describe una variedad de sistemas. La señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS), por otro lado, es un sistema específico definido por un estándar TIA/EIA.

Cambio de polaridad

Algunos circuitos integrados que tratan con señales diferenciales proporcionan una opción de hardware (mediante opciones de conexión, bajo control de firmware o incluso automático) para intercambiar la polaridad de la dos señales diferenciales, llamadas intercambio de pares diferenciales, reversión de polaridad, inversión de pares diferenciales, inversión de polaridad o inversión de carril. Esto se puede utilizar para simplificar o mejorar el enrutamiento de pares de trazas diferenciales de alta velocidad en placas de circuito impreso en el desarrollo de hardware, para ayudar a hacer frente a errores de cableado comunes mediante cables intercambiados o corregir fácilmente errores de diseño comunes bajo el control del firmware. Muchos transceptores PHY Ethernet admiten esto como detección y corrección automática de polaridad (no debe confundirse con un cruce automático característica). PCIe y USB SuperSpeed también admiten inversión de polaridad de carril.

Otra forma de solucionar los errores de polaridad es utilizar códigos de línea insensibles a la polaridad.