Señalización diferencial

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La señalización diferencial es un método para transmitir información eléctricamente 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 cables en un cable de par trenzado o plano o pistas en una placa de circuito impreso .

Eléctricamente, los dos conductores transportan señales de tensión 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 la señalización diferencial pueden denominarse balanceadas , pero este término se aplica de manera más apropiada 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 esté balanceada, ni el rechazo de ruido en circuitos balanceados requiere señalización diferencial.

La señalización diferencial debe contrastarse con la señalización de un solo extremo , que acciona solo un conductor con señal, mientras que el otro está conectado a un voltaje de referencia fijo.

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, ^{[1] [2]} pero como el rechazo de ruido de la línea balanceada requiere de todos modos un receptor diferencial, la señalización diferencial se utiliza a menudo en líneas balanceadas. Algunos de los beneficios de la señalización diferencial incluyen:

• Voltaje de señal duplicado entre el par diferencial (en comparación con una señal de un solo extremo del mismo nivel nominal ), lo que proporciona un margen adicional de 6 dB . ^[1]
• El ruido de modo común entre los dos amplificadores (por ejemplo, el rechazo imperfecto de la fuente de alimentación ) es fácilmente rechazado por un receptor diferencial.
• Gracias a esta mayor inmunidad al ruido y a un espacio libre adicional de 6 dB, es posible realizar recorridos de cable más largos.
• A frecuencias más altas, la impedancia de salida del amplificador de salida puede cambiar, lo que genera un pequeño desequilibrio. Cuando se activa en modo diferencial con dos amplificadores idénticos, este cambio de impedancia será el mismo para ambas líneas y, por lo tanto, se cancelará. ^[1]

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

La industria electrónica , en particular la de dispositivos portátiles y móviles, se esfuerza continuamente por reducir el voltaje de suministro para ahorrar energía. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, un voltaje de suministro bajo reduce la inmunidad al ruido. La señalización diferencial ayuda a reducir estos problemas porque, para un voltaje de suministro determinado, proporciona el doble de inmunidad al ruido que un sistema de un solo extremo.

Para ver por qué, considere un sistema digital de un solo extremo con voltaje de suministro . El nivel lógico alto es y el nivel lógico bajo es 0 V. La diferencia entre los dos niveles es, por lo tanto , . Ahora considere un sistema diferencial con el mismo voltaje de suministro. La diferencia de voltaje en el estado alto, donde un cable está a 0 V y el otro a 0 V, es . La diferencia de voltaje en el estado bajo, donde se intercambian los voltajes en los cables, es . La diferencia entre los niveles lógicos alto y bajo es, por lo tanto , . Esta es el doble de la diferencia del sistema de un solo extremo. Si el ruido de voltaje en un cable no está correlacionado con el ruido en el otro, se necesita el doble de ruido para causar un error con el sistema diferencial que con el sistema de un solo extremo. En otras palabras, la señalización diferencial duplica la inmunidad al ruido. ^{[ cita requerida ]}${\displaystyle V_{S}}$${\displaystyle V_{S}\,}$${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$${\displaystyle V_{S}\,}$${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$${\displaystyle 0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}}$${\displaystyle V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,}$

En la señalización de un solo extremo, el transmisor genera un único voltaje 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 viables. Otra dificultad es la interferencia electromagnética que puede generar un sistema de señalización de un solo extremo que intente funcionar a alta velocidad. ^{[ cita requerida ]}

Cuando se transmiten señales de forma diferencial entre dos equipos es habitual hacerlo a través de una interfaz balanceada. Una interfaz es un subsistema que contiene tres partes: un driver, 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: ^[3] “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”. ^[4] Las interfaces balanceadas se desarrollaron como un esquema de protección contra el ruido. En teoría, puede rechazar cualquier interferencia siempre que sea en modo común (voltajes que aparecen con igual magnitud y la misma polaridad en ambos conductores). ^[3]

Existe una gran confusión sobre qué constituye una interfaz balanceada y cómo se relaciona con la señalización diferencial. En realidad, son dos conceptos completamente independientes: la interfaz balanceada se ocupa del rechazo de ruido e interferencia, mientras que la señalización diferencial solo se ocupa del espacio libre. El equilibrio de impedancia de un circuito no determina las señales que puede transportar y viceversa. ^[3]

La técnica minimiza la diafonía electrónica y la interferencia electromagnética , tanto la emisión de ruido 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 una línea balanceada de alta calidad y una ruta de señal de audio de circuito balanceado.

Los pares diferenciales incluyen:

• Cables de par trenzado , blindados y sin blindaje
• Técnicas de enrutamiento de pares diferenciales de microbanda y línea de banda en placas de circuito impreso

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

La señalización diferencial a menudo utiliza cables o conductores de longitud coincidente que se utilizan en enlaces seriales de alta velocidad . ^[5]

Las velocidades de datos de algunas interfaces implementadas con pares diferenciales incluyen las siguientes:

• ATA serie : 1,5 Gbit/s
• Hipertransporte – 1,6 Gbit/s
• Infiniband – 2,5 Gbit/s
• PCI Express – 2,5 Gbit/s
• Serial ATA Revisión 2.0 – 2,4 Gbit/s
• XAUI – 3,125 Gbps
• Serial ATA Revisión 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 (datos de un solo extremo con enclavamiento de estroboscopios diferenciales)

El tipo de línea de transmisión que conecta dos dispositivos (chips, módulos) suele determinar el tipo de señalización. La señalización de un solo extremo se utiliza normalmente con cables coaxiales , en los que un conductor apantalla totalmente al otro del entorno. Todas las pantallas (o blindajes) se combinan en una única pieza de material para formar una conexión a tierra común. Sin embargo, la señalización diferencial se utiliza normalmente con un par de conductores equilibrados. Para cables cortos y frecuencias bajas, los dos métodos son equivalentes, por lo que se pueden utilizar circuitos económicos de un solo extremo con una conexión a 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.

La señalización diferencial se utiliza a menudo en los ordenadores para reducir la interferencia electromagnética , ya que no es posible realizar un apantallamiento completo con microbandas y chips en los ordenadores, debido a limitaciones geométricas y al hecho de que el apantallamiento no funciona en CC. Si una línea de alimentación de CC y una línea de señal de bajo voltaje comparten la misma conexión a tierra, la corriente de alimentación que regresa a través de la tierra puede inducir un voltaje significativo en ella. Una conexión a tierra de baja resistencia reduce este problema hasta cierto punto. Un par equilibrado de líneas de microbanda es una solución conveniente porque no necesita una capa de PCB adicional, como lo hace una línea de tira . Debido a que cada línea provoca una corriente de imagen coincidente en el plano de tierra, 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 aislado simple. De hecho, se comporta tan bien como un par trenzado. La baja diafonía es importante cuando se empaquetan muchas líneas en un espacio pequeño, como en una PCB típica. ^{[ cita requerida ]}

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

Las variantes 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 utilizando HVD, mientras que el 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 una longitud de cable inferior a 25 m no por el menor voltaje, sino porque estos estándares SCSI permiten velocidades mucho más altas que el antiguo SCSI HVD.

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

Algunos circuitos integrados que trabajan con señales diferenciales ofrecen una opción de hardware (mediante opciones de strening , bajo control de firmware o incluso automática) para intercambiar la polaridad de las dos señales diferenciales, denominada 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 diferenciales de alta velocidad de pistas en placas de circuitos impresos en el desarrollo de hardware, para ayudar a hacer frente a errores de cableado comunes a través de cables intercambiados o para solucionar fácilmente errores de diseño comunes bajo control de firmware. ^{[6] [7] [8] [9] [10]} Muchos transceptores PHY Ethernet admiten esto como detección y corrección automática de polaridad (que no debe confundirse con una función de cruce automático ^{similar). [11]} PCIe y USB SuperSpeed ​​también admiten la inversión de polaridad de carril.

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

• Placas base
• Señalización de bucle de corriente
• Lógica de modo actual (CML)
• Memoria DDR SDRAM
• Amplificador diferencial
• TTL diferencial
• Puerto de visualización
• Humbucker
• Tensión longitudinal
• Integridad de la señal
• Señalización de un solo extremo
• Señalización diferencial de transición minimizada (TMDS)