Señalización diferencial

La señalización diferencial es un método para transmitir información eléctricamente mediante dos señales complementarias . Esta técnica envía la misma señal eléctrica como un par diferencial de señales, cada una en su propio conductor . El par de conductores puede estar formado por cables de par trenzado o cable plano , o por pistas en una placa de circuito impreso .

Eléctricamente, los dos conductores transportan señales de voltaje de igual magnitud , pero de polaridad opuesta . El circuito receptor responde a la diferencia entre ambas señales, lo que da como resultado una señal con el doble de magnitud.

Las señales simétricas de la señalización diferencial pueden denominarse balanceadas , pero este término se aplica más apropiadamente a los circuitos balanceados y a las líneas balanceadas que rechazan la interferencia de modo común al ser introducidas en un receptor diferencial. La señalización diferencial no convierte una línea en balanceada, ni el rechazo de ruido en circuitos balanceados requiere señalización diferencial.

La señalización diferencial se contrapone a la señalización de un solo extremo, en la que solo se envía una señal a un conductor, mientras que el otro está conectado a una tensión de referencia fija.

Contrariamente a la creencia popular, la señalización diferencial no afecta la cancelación de ruido. Las líneas balanceadas con receptores diferenciales rechazan el ruido independientemente de si la señal es diferencial o de un solo extremo, ^{[ 1 ] [ 2 ]} pero dado que el rechazo de ruido en líneas balanceadas requiere un receptor diferencial de todos modos, la señalización diferencial se usa con frecuencia en líneas balanceadas. Algunos de los beneficios de la señalización diferencial incluyen:

• El voltaje de la señal se duplicó 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 (20log2 ≈ 6,02) . ^{[ 1 ]}
• El ruido de modo común entre los dos amplificadores (por ejemplo, debido a una supresión imperfecta de la fuente de alimentación ) se elimina fácilmente con un receptor diferencial.
• Gracias a esta mayor inmunidad al ruido y  a un margen dinámico adicional de 6 dB, es posible utilizar cables más largos.
• A frecuencias más altas, la impedancia de salida del amplificador puede variar, lo que produce un pequeño desequilibrio. Cuando se utiliza en modo diferencial con dos amplificadores idénticos, esta variación de impedancia será la misma para ambas líneas y, por lo tanto, se cancelará. ^{[ 1 ]}

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

Adecuado para su uso con componentes electrónicos de bajo voltaje.

La industria electrónica , especialmente en dispositivos portátiles y móviles, se esfuerza continuamente por reducir la tensión de alimentación para ahorrar energía. Sin embargo, una tensión de alimentación baja reduce la inmunidad al ruido. La señalización diferencial ayuda a mitigar estos problemas, ya que, para una tensión de alimentación dada, proporciona el doble de inmunidad al ruido que un sistema de terminación simple.

Para entender por qué, consideremos un sistema digital de terminación simple con tensión de alimentación.${\displaystyle V_{S}}$El nivel lógico alto es${\displaystyle V_{S}\,}$y el nivel lógico bajo es 0 V. La diferencia entre los dos niveles es, por lo tanto,${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$Ahora consideremos un sistema diferencial con la misma tensión de alimentación. La diferencia de tensión en el estado alto, donde un cable está en${\displaystyle V_{S}\,}$y el otro a 0 V, es${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$La diferencia de voltaje en el estado bajo, donde se intercambian los voltajes en los cables, es${\displaystyle 0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}}$Por lo tanto, la diferencia entre los niveles lógicos altos y bajos es...${\displaystyle V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,}$Esto representa el doble de la diferencia del sistema de terminación simple. Si el ruido de voltaje en un cable no está correlacionado con el ruido en el otro, se requiere el doble de ruido para provocar un error en el sistema diferencial que en el de terminación simple. En otras palabras, la señalización diferencial duplica la inmunidad al ruido.

En la señalización de un solo extremo, el transmisor genera una única tensión que el receptor compara con una tensión de referencia fija, ambas con respecto a una conexión a tierra común. En muchos casos, los diseños de un solo extremo no son viables. Otra dificultad reside en la interferencia electromagnética que puede generar un sistema de señalización de un solo extremo que intente operar a alta velocidad.

Al transmitir señales de forma 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 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, pueden rechazar cualquier interferencia siempre que sea de modo común (tensiones que aparecen con igual magnitud y la misma polaridad en ambos conductores). ^{[ 3 ]}

Existe 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 refiere al rechazo de ruido e interferencias, mientras que la señalización diferencial solo se refiere al margen dinámico. El equilibrio de impedancia de un circuito no determina las señales que puede transmitir, y viceversa. ^{[ 3 ]}

Esta 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 ruta de señal de audio de línea balanceada y circuito balanceado de alta calidad.

Los pares diferenciales incluyen:

• Cables de par trenzado , apantallados y sin apantallar.
• Técnicas de enrutamiento de pares diferenciales de microcinta y línea de tira en placas de circuitos impresos

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

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 aísla completamente al otro del entorno. Todos los blindajes se combinan en una sola pieza de material para formar una tierra común. La señalización diferencial, en cambio, se utiliza normalmente con un par de conductores balanceados. Para cables cortos y bajas frecuencias, ambos métodos son equivalentes, por lo que se pueden utilizar circuitos de un solo extremo económicos con tierra común con cables económicos. A medida que aumenta la velocidad de señalización, los cables comienzan a comportarse como líneas de transmisión.

La señalización diferencial se utiliza a menudo en ordenadores para reducir las interferencias electromagnéticas , ya que el apantallamiento completo no es posible con microcintas y chips debido a limitaciones geométricas y al hecho de que el apantallamiento no funciona en corriente continua (CC). Si una línea de alimentación de CC y una línea de señal de baja tensión comparten la misma tierra, la corriente de alimentación que regresa a través de ella puede inducir una tensión significativa. Una tierra de baja resistencia reduce este problema en cierta medida.

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 diferencial de alto voltaje (HVD) cuya longitud máxima de cable era varias veces superior a la de la versión de un solo extremo. Por ejemplo, los equipos SCSI permiten una longitud máxima total de cable de 25 metros con HVD, mientras que el SCSI de un solo extremo permite una longitud máxima de entre 1,5 y 6 metros, según la velocidad del bus. Las versiones LVD de SCSI permiten  longitudes de cable inferiores a 25 metros no por el menor voltaje, sino porque estos estándares SCSI permiten velocidades mucho mayores 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 un estándar TIA/EIA.

Algunos circuitos integrados que manejan señales diferenciales ofrecen una opción de hardware (mediante opciones de configuración , bajo control de firmware o incluso de forma automática) para intercambiar la polaridad de las dos señales diferenciales, denominada intercambio de pares diferenciales , inversión de polaridad, inversión de pares diferenciales o inversión de carril . Esto puede utilizarse para simplificar o mejorar el enrutamiento de pares diferenciales de alta velocidad de pistas en placas de circuitos impresos durante el desarrollo de hardware, para ayudar a solucionar errores comunes de cableado mediante el intercambio de cables o para corregir fácilmente errores de diseño comunes bajo control de firmware. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}Muchos transceptores Ethernet PHY admiten esto como detección y corrección automática de polaridad (que no debe confundirse con una función de cruce automático similar ). ^{[ 14 ]} PCIe y USB SuperSpeed ​​también admiten inversión de polaridad de carril.

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

• Placas traseras
• Señal de modo común
• Señalización de bucle de corriente
• Lógica de modo de corriente (CML)
• Memoria DDR SDRAM
• Amplificador diferencial
• TTL diferencial
• DisplayPort
• Humbucker
• Integridad de la señal
• Señalización de un solo extremo
• Señalización diferencial con mínima transición (TMDS)