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Signal asymétrique vs différentiel : les principales différences

En signalisation asymétrique (single-ended), on lit la tension d’un seul fil de signal par rapport à la masse : peu de fils, et c’est simple. En signalisation différentielle, deux fils transportent des signaux opposés, et les 0 et 1 sont lus à partir de la différence de tension entre les deux. Le bruit et les écarts de potentiel de masse qui affectent les deux fils de la même façon s’annulent lors de la soustraction, et les champs électromagnétiques des courants opposés se compensent : on peut ainsi transmettre vite et loin avec une faible amplitude. En contrepartie, chaque signal nécessite deux fils, et la conception doit égaliser leur longueur et leur espacement.

CritèreAsymétrique (single-ended)Signal différentiel
Nombre de fils par signalUn (le courant de retour partage la masse)Deux (une paire positive et négative)
Référence de lectureTension par rapport à la masseDifférence de tension entre les deux fils
Bruit de mode communS’ajoute tel quel au signalS’annule lors de la soustraction (selon le CMRR du récepteur)
Écart de potentiel de masseUn écart entre la masse de l’émetteur et celle du récepteur devient directement une erreurPeu d’effet tant qu’il reste dans la plage de mode commun admise par le récepteur
Bruit rayonné (CEM)Grande boucle de courant, rayonne facilementLes champs des courants opposés se compensent, rayonne peu
Amplitude du signalGrande. Proche de la tension d’alimentation (par ex. 0 à 3,3 V)Faible. Quelques centaines de mV (environ 350 mV en LVDS)
Ordre de grandeur du débitDe quelques dizaines à quelques centaines de Mbit/s. Quelques Gbit/s par fil sur les bus mémoire avec terminaison soignéeDe quelques centaines de Mbit/s à quelques dizaines de Gbit/s par paire
RoutageSimple. Pour les signaux rapides, attention à l’impédance caractéristique et à la terminaisonÉgaliser la longueur et l’espacement des deux fils et maintenir l’impédance différentielle (généralement 85 à 100 Ω)
Coût et nombre de brochesBon marché, peu de brochesDeux fois plus de broches et de pistes. Circuits d’émission et de réception plus complexes
Exemples typiquesGPIO, I2C, SPI, UART, données DDR (DQ)LVDS, USB, PCI Express, SATA, HDMI, Ethernet, CAN, RS-485

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Asymétrique (single-ended)
Lorsque le débit n’est pas très élevé et la distance courte, ou qu’on veut limiter le nombre de broches et le coût : GPIO, I2C, SPI, etc. sur une carte.
Signal différentiel
Signaux rapides de l’ordre du Gbit/s, liaisons par câble entre équipements éloignés, environnements bruités, ou lorsqu’il faut limiter le bruit rayonné : PCIe, USB, Ethernet, CAN automobile, etc.
Exemple de combinaison
Dans la mémoire DDR, les nombreuses lignes de données (DQ) sont asymétriques, tandis que l’horloge et le strobe (DQS), qui servent de référence temporelle, sont différentiels : on concilie ainsi nombre de broches et fiabilité.

Questions fréquentes

Pourquoi un signal différentiel résiste-t-il au bruit de mode commun ?

Lorsque les deux fils sont placés côte à côte, le bruit extérieur s’ajoute à peu près autant sur l’un que sur l’autre. Le récepteur ne lit que la différence de tension entre les deux : le bruit identique sur les deux fils (bruit de mode commun) disparaît par soustraction. Un écart de potentiel de masse s’applique lui aussi de la même façon aux deux fils et a donc peu d’effet.

Pourquoi un signal différentiel transmet-il plus vite alors qu’il demande deux fils ?

Comme il résiste au bruit, son amplitude peut être réduite à quelques centaines de mV ; la tension à charger et décharger étant plus faible, il commute plus vite. Il rayonne aussi peu et se soucie peu des écarts de potentiel de masse, si bien que les liaisons série atteignent quelques dizaines de Gbit/s par paire.

À quoi faut-il faire attention lors du routage d’une paire différentielle ?

D’abord à égaliser la longueur des deux fils. Si elles diffèrent, les deux signaux arrivent décalés, la forme d’onde différentielle se dégrade, une partie se transforme en bruit de mode commun et le rayonnement augmente. Il faut aussi garder un espacement constant entre les deux fils pour maintenir l’impédance différentielle à la valeur spécifiée (généralement 85 à 100 Ω) et terminer la paire côté récepteur.

Un signal différentiel se passe-t-il de masse ?

Pas complètement. La moyenne des deux tensions (la tension de mode commun) doit rester dans la plage admise par le récepteur. Pour cela, on partage la masse, ou bien on bloque la composante continue par un condensateur ou un transformateur et on recrée la tension de mode commun côté récepteur. Ethernet isole les équipements entre eux par des transformateurs.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la principale raison de l'utilisation de la signalisation différentielle, qui fait circuler des signaux opposés sur deux lignes, en transmission série rapide ?

  1. AComme il y a deux lignes, la quantité de données transmissibles est toujours doublée
  2. BSi une ligne est coupée, l'autre suffit pour transmettre au même débit
  3. CLe bruit qui affecte les deux lignes de la même manière s'annule par différence, ce qui permet de transmettre rapidement et de façon fiable même avec une faible amplitude
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Réponse : C. Le bruit qui affecte les deux lignes de la même manière s'annule par différence, ce qui permet de transmettre rapidement et de façon fiable même avec une faible amplitude

En signalisation différentielle, 0 et 1 sont représentés par la différence de tension entre deux lignes. Le bruit externe affecte presque identiquement les deux lignes qui cheminent côte à côte, et s'annule par différence. L'amplitude peut ainsi être réduite à quelques centaines de millivolts, ce qui diminue le temps et l'énergie nécessaires aux transitions et permet un débit élevé. Les courants des deux lignes étant opposés, le bruit électromagnétique rayonné est aussi réduit.

Quelle est la principale raison pour laquelle les liaisons rapides entre puces ou entre cartes sont passées de la transmission parallèle, sur de nombreuses lignes, à la transmission série, qui fait circuler des signaux rapides sur peu de lignes ?

  1. AEn transmission parallèle, les écarts de temps d'arrivée entre lignes (skew) posent problème et limitent la montée en débit
  2. BLa transmission série n'utilisant pas d'électricité, sa consommation est nulle
  3. CLa transmission parallèle a été interdite par la loi
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Réponse : A. En transmission parallèle, les écarts de temps d'arrivée entre lignes (skew) posent problème et limitent la montée en débit

En transmission parallèle, les bits de nombreuses lignes doivent être reçus alignés sur la même horloge. Quand le débit augmente, l'écart de temps d'arrivée (skew) dû à de légères différences de longueur des pistes n'est plus négligeable par rapport à la période d'horloge, ce qui empêche d'aller plus vite. En transmission série, l'horloge est extraite des données pour chaque paire de lignes ; le problème du skew disparaît et le débit par ligne peut être fortement augmenté. Le nombre de broches et de pistes diminue aussi.

Quelle description d'une « voie » (lane) PCI Express est correcte ?

  1. AUne unité de connexion comportant une paire différentielle d'émission et une paire différentielle de réception ; regrouper des voies augmente la bande passante
  2. BUne unité utilisant une seule ligne, alternant émission et réception
  3. CLa longueur physique du connecteur dans lequel on insère un périphérique PCI Express
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Réponse : A. Une unité de connexion comportant une paire différentielle d'émission et une paire différentielle de réception ; regrouper des voies augmente la bande passante

Une voie PCI Express se compose d'une paire différentielle d'émission et d'une paire différentielle de réception, soit 4 lignes au total, et peut transmettre simultanément dans les deux sens. En regroupant des voies (x4, x16, etc.), les données sont réparties entre les voies et la bande passante augmente proportionnellement à leur nombre. Les cartes graphiques utilisent couramment x16, les SSD x4 et les cartes réseau de x1 à x8.

  1. Que signifie un CMRR (taux de réjection du mode commun) élevé pour un amplificateur différentiel ?
  2. Quel avantage présente une entrée différentielle pour un CAN ?
  3. Sur un bus CAN muni d'une résistance de terminaison de 120 Ω à chaque extrémité, on a mesuré, hors tension, la résistance entre CAN_H et CAN_L. Quelle valeur est la plus proche de celle d'un bus normal ?

Questions d'entraînement sur Interfaces d'E/S et bus

Termes clés expliqués

Signal différentiel
Méthode qui transmet des signaux opposés sur deux fils et représente 0 et 1 par la différence de tension. Le bruit capté de la même manière par les deux fils s'annule, ce qui permet une transmission rapide avec une faible amplitude.
CMRR (taux de réjection du mode commun)
Dans un amplificateur différentiel, rapport entre le gain en mode différentiel et le gain du signal de mode commun appliqué identiquement aux deux entrées. Plus il est grand, mieux le bruit commun capté par le câblage est rejeté.
Impédance caractéristique
Rapport tension/courant vu par une onde électrique se propageant dans une ligne de transmission. Il dépend de la largeur des pistes et de l'espacement entre couches ; toute discontinuité sur le trajet provoque une réflexion du signal.
PCI Express
Interface d'extension série à haut débit reliant le CPU au GPU, aux SSD, aux cartes réseau, etc. Aussi écrite PCIe. Le débit augmente en regroupant des voies (lanes), et la vitesse double environ à chaque génération.
Diaphonie (crosstalk)
Phénomène où la variation d'un signal apparaît comme bruit sur une ligne voisine, notamment par couplage capacitif. On la réduit en espaçant les lignes ou en insérant des lignes de blindage.

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