Kanalbandbreite: Der richtige Weg zur Qualifizierung von Hochgeschwindigkeits-PCB-Verbindungen

Wenn Sie Richtlinien für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs von Halbleiterherstellern und Nicht-Experten lesen, sprechen diese immer über die Verwendung der Anstiegszeit zur Analyse der Signalintegrität. Die Anstiegszeit eines Signals ist wichtig, da sie Dinge wie EMI, Übersprechen und Toleranzen bei der Verzögerungsabstimmung bestimmt. Wenn Ihr Design mit Datenraten von Gigabit pro Sekunde und schneller arbeitet, endet Ihre Anstiegszeit typischerweise mit der Verzögerungsabstimmung, und alle anderen Faktoren der Signalintegrität werden im Frequenzbereich analysiert.

Professionelle Designer denken in Begriffen einer einfachen Metrik: Bandbreite. Immer wenn Bandbreite erwähnt wird, bringen Anfängerdesigner sofort die Knie-Frequenz als Maß für die Signalbandbreite ins Spiel. Das ist völlig falsch. Alle digitalen Signale haben unendliche Bandbreite, selbst nachdem sie durch eine physische Übertragungsleitung gedämpft wurden.

Aber beim Entwerfen mit Multi-Gbps-Geschwindigkeiten ist die relevante Bandbreite die Kanalbandbreite. Mit anderen Worten, dies ist der Frequenzbereich, durch den eine Übertragungsleitung eine starke Übertragung von Signalen mit minimaler Dämpfung oder Reflexionen ermöglicht. Ein grundlegendes Verständnis darüber, wie Bandbreite aus S-Parametern bestimmt wird, ist für jeden, der über 1 Gbps hinaus arbeiten möchte, obligatorisch.

Wie man Bandbreite quantifiziert

Die Bandbreite kann aus einer Frequenzbereichsmessung bestimmt werden. Alle digitalen Schnittstellen haben eine Bandbreitenanforderung, was bedeutet, dass der physische Kanal, der einen Sender und Empfänger verbindet, eine bestimmte Menge an Bandbreite innerhalb eines spezifischen Frequenzbereichs (von DC bis zu einer bestimmten Höchstfrequenz) zulassen muss. Anders ausgedrückt, kann eine Bandbreitenspezifikation wie folgt beschrieben werden:

• Ein physischer Kanal darf nicht zu viel Leistung innerhalb eines Frequenzbereichs von DC bis zu einer bestimmten Höchstfrequenz absorbieren oder reflektieren.

Wir können überprüfen, ob ein physischer Kanal (d.h. eine Übertragungsleitung) genügend Bandbreite bietet, indem wir uns ein S-Parameter-Diagramm ansehen. Es gibt auch andere Parameterdiagramme, die wir verwenden könnten, wie die Übertragungsfunktion oder T-Parameter, aber am häufigsten ist die Verwendung von S-Parametern.

Betrachten Sie das Rückflussverlustdiagramm für ein Paar differentieller Blindvias unten, das bei etwa 70 GHz seinen -10 dB Grenzwert erreicht. Wir könnten sagen, dass dieser Kanal (Blindvias, die mit impedanzangepassten differentiellen Paaren von 100 Ohm verbunden sind) 70 GHz Bandbreite hat.

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Beim Betrachten eines S-Parameter-Diagramms oder eines Übertragungsfunktionsdiagramms müssen wir eine konsistente Definition dafür haben, was die maximale Bandbreite eines Kanals bestimmt. Für ein S-Parameter-Diagramm ist eine de facto Bandbreitengrenze die niedrigste Frequenz, bei der der Rückflussverlust bis zu -10 dB erreicht. Im obigen Beispielplot könnte die betreffende Übertragungsleitung basierend auf dem Rückflussverlustspektrum eine Bandbreite von 23 GHz bereitstellen.

Dies ist kein universeller Standard, und man sollte beachten, dass verschiedene Schnittstellen unterschiedliche Anforderungen an die Übertragungsleitung haben, die verwendet wird, um ein Signal zu transportieren. Zum Beispiel definieren einige Forschungen der 802.3-Arbeitsgruppe zu 224G PAM-4-Signalisierung die Bandbreitengrenze bei einem Rückflussverlust von -15 dB statt -10 dB.

Wie hängt die Kanalbandbreite mit der Datenrate zusammen?

Während es wahr ist, dass wir digitale Schnittstellen im Allgemeinen nicht allein aufgrund ihrer Datenrate als Hochgeschwindigkeit einstufen, steht die Kanalbandbreite doch in Beziehung zur Datenrate, die ein Kanal zwischen zwei Komponenten transportieren kann. Die maximale Datenrate, die ein Kanal übertragen kann, hängt mit der Bandbreite des Kanals durch die Nyquist-Rate-Formel zusammen. Diese Formel hat nicht dieselbe Bedeutung wie bei ihrer Anwendung auf ADCs; sie hat eine andere Bedeutung, wenn es um die Kommunikation digitaler Daten durch einen physischen Kanal geht.

Die Beziehung zwischen Bandbreite und Datenrate basiert auf der Anzahl der Logikpegel, die der Schnittstelle während jedes Taktzyklus zur Verfügung stehen. Diese Formel lautet:  

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In dieser Formel nehmen wir an, dass die Anstiegszeit unendlich schnell ist und dass die Bandbreite als harter Schnitt bei der Bandbreitengrenzfrequenz definiert ist. Theoretisch würde dies bedeuten, dass die Signalintegrität für digitale Daten nur mit einem Rückflussverlustdiagramm vorhergesagt werden könnte, aber das ist in der Praxis nicht der Fall. Da Verluste Funktionen der Frequenz sind und das Signal während der Ausbreitung langsam abbauen, müssen wir das Verhalten des Signals am Empfangsende einer Übertragungsleitung untersuchen.

Deshalb verwenden wir ein Augendiagramm, um die Signale am Empfänger zu visualisieren. Die Flankensteilheit und das Rauschen bei jedem Logikpegel im Augendiagramm bestimmen die Bitfehlerrate (BER). Solange die Bitfehlerrate niedrig genug ist, kann der Kanal als ausreichend leistungsfähig angesehen werden, um genug Signalstärke über seine Bandbreite für das korrekte Funktionieren der Schnittstelle zu übertragen.

Kümmern wir uns überhaupt um die Signalbandbreite?

Die Antwort lautet sowohl ja als auch nein. Technisch gesehen ist die Signalbandbreite unendlich, also egal, was Sie tun, Ihre digitalen I/O versuchen immer, Frequenzen zu erzeugen, die bis ins Unendliche reichen. Wenn ein Signal durch den Kanal propagiert, geht diese Leistung mit größerer Dämpfung bei höheren Frequenzen verloren. Was aus dem Kanal kommt und mit dem Empfänger interagiert, ist immer noch ein Signal mit unendlicher Bandbreite, aber der Hochfrequenzinhalt ist aufgrund von dielektrischen Verlusten, Kupferverlusten und Strahlungsverlusten reduziert.

Mit diesem Wissen im Hinterkopf, betrachten wir die vollständige Liste der Schritte, die passieren, wenn ein Signal bei einem Sender startet und einen Empfänger erreicht.

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1. Das Signal wird über den Ausgangspin in den physischen Kanal abgegeben, und die Spannung steigt. An diesem Punkt ist die Anstiegszeit so schnell wie möglich.
2. Das Signal beginnt, entlang der Übertragungsleitung zu reisen. Während der Übertragung wird die Leistung bei hohen Frequenzen gedämpft, was die Anstiegsgeschwindigkeit reduziert.
3. Das Signal erreicht den Empfänger, und ein Teil der Leistung oberhalb der Bandbreite des Empfängers wird reflektiert. Das Signal interagiert mit dem Eingang des Empfängers und steigt auf seine endgültige Spannung.

Da Verluste den Hochfrequenzinhalt des Signals reduzieren, verlangsamt sich die Anstiegsgeschwindigkeit während der Ausbreitung.Lesen Sie diesen verwandten Artikel für ein extremes Beispiel der Verschlechterung der Anstiegsgeschwindigkeit.

Da wir Hochgeschwindigkeits-PCBs immer nach der Anstiegszeit definieren und aufgrund von übergeneralisierten Formeln wie der Knie-Frequenz-Formel entsteht der Eindruck, dass wir irgendwie die Signalbandbreite nutzen müssen, um Dinge in einem Kanal zu entwerfen. Das häufigste Beispiel ist die Verwendung der Anstiegszeit eines Signals, um eine kritische Länge zu berechnen, was eine sinnlose Übung und eine Ausrede ist, um nicht die Impedanz der Leiterbahn zu berechnen. Das Problem dabei ist sehr einfach: In einer langen Übertragungsleitung hat die Anstiegszeit des Signals keine Beziehung zur Knie-Frequenz des Empfängers, weil das Signal den Eingangspin des Empfängers noch nicht erreicht hat! Daher sollten Konzepte wie Anstiegszeit und Knie-Frequenz keine Rolle beim Entwurf eines Hochgeschwindigkeits-PCBs mit Gbps oder höheren Kanälen spielen.

Anstiegszeit - Wofür ist sie gut?

Absolut nichts!

Ich scherze natürlich… Die Anstiegszeit ist ein wichtiges Werkzeug, um einige Aspekte der Signalintegrität und EMI/EMC abzuschätzen oder zu verstehen. Dazu gehören:

• Die Abschätzung der Größe von Übersprechen
• Das Verständnis der Raum- und Impedanzauflösung von TDR-Messungen
• Das Verständnis derTestlastkapazität-Spezifikationen
• Das Identifizieren von EMI-Quellen
• Die Vorhersage derminimalen Oszilloskop-Bandbreite, die benötigt wird, um ein Signal genau zu messen

Die obige Liste spezifiziert nur, wie die Anstiegszeit die Signalintegrität und Messungen beeinflusst, nicht eine tatsächliche Entwurfsaufgabe. In Wirklichkeit gibt es überraschend wenige Situationen, in denen die Anstiegszeit der Signale tatsächlich direkt als Hilfe für das Entwerfen einer Übertragungsleitung für eine Hochgeschwindigkeits-PCB verwendet werden muss. Diese reduzieren sich auf zwei Fälle:

• Zeitverzögerungsabgleich in differentiellen Paaren
• Serien- oder Parallel-Impedanzabgleich von Bussen ohne eine Impedanzspezifikation

Die erste Instanz ist sehr einfach und erfordert nicht viel mehr als eine Schätzung der Anstiegszeit, die aus einem Datenblatt für eine gegebene Testlastkapazität entnommen werden kann. Die zweite Instanz gilt nur für sehr wenige Situationen, wie schnelle GPIOs, SPI/QSPI/PPI oder einige Speziallogiken. Dies würde vollständig auf einer kritischen Längenanalyse basieren.

Das Fazit

Zusammenfassend wird in den meisten Diskussionen über die Bandbreite der „Anstiegszeit“ in Bezug auf Signale oft die Reaktion auf etwas, das durch eine Stufenfunktion angetrieben wird, und nicht die unendliche Bandbreite eines digitalen Signals diskutiert. Für Hochgeschwindigkeitsdesigner ist das Fazit hier sehr einfach: Da wir dieses Konzept der Kanalbandbreite verwenden, um das Design einer Übertragungsleitung zu bewerten, müssen Sie die Signalintegrität über die gesamte Kanalbandbreite hinweg überprüfen. Die Verwendung der Anstiegszeit ermöglicht diesen wichtigen Ansatz nicht.

Das bedeutet nicht, dass Simulationen, die auf der Anstiegszeit basieren, nicht nützlich sind, nur, dass sie das vollständige Bild des Kanalverhaltens nicht erfassen. Ich habe oben Augendiagramme erwähnt, aber es gibt zwei andere wichtige Fälle, in denen Simulationen, die auf der Anstiegszeit basieren, nützlich sind:  

• Zeitbereichsreflektometrie (TDR)-Simulationen
• Bewertung der Modellkausalität im Zeitbereich

Ich habe in einem anderen Artikel über Kausalität gesprochen. In einem zukünftigen Artikel werde ich untersuchen, wie man eine TDR-Spur als Teil des Designs von Hochgeschwindigkeits-PCBs und der Signalintegrität verstehen und nutzen kann.

Vorerst ist mein Rat an die Designer einfach: Das Konzept der Anstiegszeit als Werkzeug zum Verständnis der Notwendigkeit der Impedanzanpassung ist nur bei einigen schnellen Single-Ended-Schnittstellen anwendbar. Alle anderen Fälle, die impedanzkontrollierte differentielle Paare betreffen, verwenden überhaupt kein Konzept der Anstiegszeit, außer um die Verzögerungsabstimmung/Längenanpassung zu verstehen. Für diese schnelleren seriellen differentiellen Kanäle sollten Sie immer auf die Zielimpedanz entwerfen und verstehen, wie man die Kanäle unter Verwendung der Bandbreite als Leitmetrik qualifiziert.

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