Autor: Shingo Uda, Responsable de ingeniería de aplicación en campo, Inductores y filtros de supresión EMI
Nuestro anhelo por conseguir tasas de transferencia de datos cada vez más rápida continúa intacto. En la vanguardia de esta demanda, la industria electrónica sigue empujando los límites de la comunicación cableada e inalámbrica. La mayoría de interfaces de comunicación cableadas han adoptado un enfoque de señalización diferencial, un método ampliamente utilizado desde Ethernet a HDMI. El USB también utiliza señalización diferencial, y esta popular interfaz de comunicación no muestra señales de alcanzar su límite. La versión más reciente del protocolo USB es USB 4, que tiene una tasa de transferencia máxima de 40 Gbps e incorpora el protocolo Thunderbolt. Otras interfaces diferenciales incluyen PCI Express y los protocolos de vídeo digital de alta velocidad DisplayPort y HDMI. La Figura 1 destaca hasta qué punto los smartphones, ordenadores portátiles y los monitores utilizan interfaces diferenciales cableadas.
Figura 1. La popularidad de las interfaces de señal diferencial en una amplia gama de smartphones, ordenadores personales y TV/monitores (fuente: Murata).
Las interfaces inalámbricas basadas en 2,4 GHz como Wi-Fi y Bluetooth también prevalecen, ya que ambos están presentes en la mayoría de dispositivos de consumo. Los estándares Wi-Fi han avanzado significativamente en la última década, como demuestra la aparición de dispositivos Wi-Fi 6 en el mercado y que usan el espectro de frecuencia 5 GHz. Wi-Fi 6 tiene una tasa de transferencia máxima de 9,6 Gbps, pero ya se están realizando trabajos de desarrollo y testeo para Wi-Fi 7, elevando así la tasa de transferencia máxima teórica a 40 Gbps.
El ruido de las interfaces diferenciales reduce el rendimiento del enlace Wi-Fi
Sin embargo, a medida que las tasas de transferencia de las interfaces cableadas aumentan aún más, las intereferencias electromagnéticas (EMI) de la señalización diferencial se está convirtiendo en un reto cada vez más significativo. Esta interferencia no solo tiene el potencial de causar problemas de compatibilidad electromagnética intrasistema, sino que además puede desensibilizar el front-end del receptor inalámbrico, reduciendo así el rendimiento del enlace inalámbrico.
Las altas tasas de transferencia de datos asociadas a las interfaces diferenciales generan artefactos de ruido de alta frecuencia que son conducidos y radiados desde el PCB y los cables USB del equipo. El diseño de la placa es una consideración importante para todo ingeniero electrónico, ya que las pistas del PCB representan pequeñas, pero impactantes, inductancias y capacitancias parasíticas que se vuelven especialmente relevantes en las altas frecuencias implicadas. Las pistas entre el IC de USB y el conector USB son especialmente propensas a radiar EMI. Un aspecto de una estrategia de mitigación de EMI son las pistas de guardia a tierra y enrutar las pistas USB alejadas de los componentes sensibles. Los ingenieros de diseño de placas también deberían mantener las pistas USB D+ y D- alejadas de los relojes y circuitos de temporización. Para reducir el impacto del EMI intrasistema y externo, la colocación de filtros de modo común en las rutas de transmisión y recepción de una interfaz diferencial ayuda a reducir el EMI radiado – véase la Figura 2.
Figura 2. Ilustración de cómo la colocación de filtros de modo común en los puertos de transmisión y recepción diferencial reduce el EMI intrasistema (fuente: Murata).
Un ejemplo de filtro de modo común adecuado es el Murata NFG0QHB242HS. Este dispositivo de montaje en superficie, disponible en un paquete 0605 (métrico), está calificado para una tensión de funcionamiento de 5 VDC y una tensión máxima soportada de 12,5 VDC. Con una frecuencia de corte típica de 8 GHz, la característica de pérdida por inserción en modo común es de 33 dB a 2,4 GHz – véase la Figura 3.
Figura 3. Característica de pérdida por inserción de la serie de filtros de modo común NFG0QHB (fuente: Murata).
Como se ilustra en la figura 3, las características de supresión de ruido en modo común están diseñadas para mejorar el rendimiento de aplicaciones de 2,4 GHz, 3,7 GHz y 5,4 GHz para interfaces de señalización diferencial.
Mejora de la sensibilidad del receptor Wi-Fi usando un filtro de modo común
Para ilustrar el impacto de usar un filtro de modo común en una interfaz USB, los ingenieros de Murata realizaron una investigación en el laboratorio. El equipo a prueba (EUT) era un dispositivo electrónico con una antena Wi-Fi y una interfaz USB 3.2 conectada mediante un enchufe, un conector y un cable USB a un disco de estado sólido externo (SSD) – véase la Figura 4.
Figura 4. Ilustración del montaje de laboratorio de Murata diseñado para medir la efectividad de un filtro de modo común en una interfaz USB (fuente: Murata).
El EUT se colocó en una cámara anecoica, con la antena Wi-Fi del dispositivo conectada a un analizador de espectro mediante un preamplificador. Al usar la propia antena Wi-Fi del EUT, los resultados indicarían el grado real de desensibilización del receptor resultante del ruido radiado desde las líneas de señalización diferencial USB.
Figura 5. Niveles de ruido registrados en las tres pruebas por el analizador de espectro (fuente: Murata).
La Figura 5 ilustra los resultados de las tres pruebas distintas realizadas en el EUT. La primera prueba, resaltada con una traza roja, representa el espectro de ruido registrado durante el funcionamiento del EUT sin ningún filtro de modo común en las líneas de señalización. La traza verde indica el uso de un filtro de modo común (CMCC), un Murata NFG0QHB372HL2, colocado cerca del puerto externo USB, que se observa alejado de la fuente de ruido de la CPU del EUT. La última prueba, representada por la traza azul, muestra el CMCC colocado lo más cerca posible de donde las líneas de señalización USB salen de la CPU. Al colocar el CMCC cerca de la CPU, el nivel de ruido mejoró en aproximadamente 5 dB.
Se realizaron pruebas similares para evaluar la sensibilidad del receptor utilizando el módulo Wi-Fi interno del EUT y una antena omnidireccional conectada a un PC equipado con un set de prueba Wi-Fi. La Figura 6 expone los resultados, con una mejora de 8,6 dB al instalar un CMCC cerca de la fuente de ruido.
Figura 6. Mejora en la sensibilidad de recepción del módulo Wi-Fi con un filtro de modo común (fuente: Murata).
Como prueba final, para asegurar el cumplimiento de los estándares de integridad de la señal USB-IF, se realizó una prueba de máscara de ojo a través de un CMCC de Murata. El examen reveló que agregar un CMCC en la ruta de la señal no impactó negativamente en la calidad de la señal diferencial.
A medida que las tasas de datos continúan aumentando, el impacto del EMI de las interfaces diferenciales tiene el potencial de ser más severo. La investigación y las evaluaciones realizadas en las pruebas anteriores confiman que usar filtros de modo común reduce el impacto del EMI sin degradación en la integridad de la señal.
