Ancho de Banda del Canal: La Manera Correcta de Calificar Interconexiones de PCB de Alta Velocidad

Si lees las guías de diseño de PCB de alta velocidad de fabricantes de semiconductores y no expertos, siempre hablan sobre el uso del tiempo de subida para analizar la integridad de la señal. El tiempo de subida de la señal es importante, ya que determina cosas como la EMI, el diafonía y las tolerancias de ajuste de retraso. Si tu diseño opera a tasas de datos de gigabits por segundo y más rápidas, tu tiempo de subida típicamente termina con el ajuste de retraso, y todos los otros factores de integridad de la señal se analizan en el dominio de la frecuencia.

Los diseñadores profesionales piensan en términos de una métrica simple: el ancho de banda. Siempre que se menciona el ancho de banda, los diseñadores novatos inmediatamente traen a colación la frecuencia de rodilla como una medida del ancho de banda de la señal. Esto está completamente equivocado. Todas las señales digitales tienen un ancho de banda infinito, incluso después de ser atenuadas por una línea de transmisión física.

Pero al diseñar a velocidades de múltiples Gbps, el ancho de banda relevante es el ancho de banda del canal. En otras palabras, este es el rango de frecuencia a través del cual una línea de transmisión permite una transmisión fuerte de señales con mínima atenuación o reflexiones. Un entendimiento básico de cómo se determina el ancho de banda a partir de los parámetros S es obligatorio para cualquiera que quiera trabajar más allá de 1 Gbps.

Cómo Cuantificar el Ancho de Banda

El ancho de banda se puede determinar a partir de una medición del rango de frecuencias. Todas las interfaces digitales tienen un requisito de ancho de banda, lo que significa que el canal físico que conecta un transmisor y un receptor debe admitir cierta cantidad de ancho de banda dentro de un rango específico de frecuencias (desde DC hasta alguna frecuencia máxima). Dicho de otra manera, una especificación de ancho de banda se puede describir de la siguiente manera:

• Un canal físico no debe absorber o reflejar demasiada potencia dentro de un rango de frecuencias desde DC hasta alguna frecuencia máxima.

Podemos verificar que un canal físico (es decir, una línea de transmisión) proporciona suficiente ancho de banda mirando un gráfico de parámetros S. Hay otros gráficos de parámetros que podríamos usar también, como la función de transferencia o los parámetros T, pero el más común es el uso de parámetros S.

Considere el gráfico de pérdida de retorno para un par de vías ciegas diferenciales mostrado a continuación, que sube a su límite de -10 dB a unos 70 GHz. Podríamos decir que este canal (vías ciegas conectadas a pares diferenciales de 100 Ohms con impedancia adaptada) tiene 70 GHz de ancho de banda.

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Al observar un gráfico de parámetros S o un gráfico de función de transferencia, necesitamos tener una definición consistente de lo que determina el ancho de banda máximo de un canal. Para un gráfico de parámetros S, un límite de ancho de banda de facto es la frecuencia más baja donde la pérdida de retorno alcanza hasta -10 dB. En el gráfico de ejemplo anterior, la línea de transmisión en cuestión sería capaz de proporcionar 23 GHz de ancho de banda basado en el espectro de pérdida de retorno.

Esto no es un estándar universal, y se debe notar que diferentes interfaces tendrán diferentes requisitos para la línea de transmisión utilizada para transportar una señal. Por ejemplo, en algunas investigaciones del grupo de trabajo 802.3 sobre señalización 224G PAM-4, el límite de ancho de banda se define en una pérdida de retorno de -15 dB en lugar de -10 dB.

¿Cómo se Relaciona el Ancho de Banda del Canal con la Tasa de Datos?

Si bien es cierto que generalmente no categorizamos las interfaces digitales como de alta velocidad basándonos únicamente en su tasa de datos, el ancho de banda del canal sí se relaciona con la tasa de datos que un canal puede transportar entre dos componentes. La tasa de datos máxima que un canal puede transferir está relacionada con el ancho de banda del canal por la fórmula de la tasa de Nyquist. Esta fórmula no tiene el mismo significado que cuando se aplica a los ADCs; tiene un significado diferente cuando se discute la comunicación de datos digitales a través de un canal físico.

La relación entre el ancho de banda y la tasa de datos se basa en el número de niveles lógicos disponibles para la interfaz durante cada ciclo de reloj. Esta fórmula es:  

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En esta fórmula, asumimos que el tiempo de subida es infinitamente rápido y que el ancho de banda se define como un corte estricto en la frecuencia límite del ancho de banda. En teoría, esto significaría que la integridad de la señal para datos digitales podría predecirse usando solo un gráfico de pérdida de retorno, pero esto no es cierto en la práctica. Debido a que las pérdidas son funciones de la frecuencia y degradan lentamente la señal durante la propagación, tenemos que examinar el comportamiento de la señal en el extremo receptor de una línea de transmisión.

Por eso utilizamos un diagrama de ojo para visualizar las señales en el receptor. La tasa de transición y el ruido en cada nivel lógico en el diagrama de ojo determinarán la tasa de error de bits (BER, por sus siglas en inglés). Mientras la tasa de error de bits sea lo suficientemente baja, se puede considerar que el canal está transfiriendo suficiente potencia de la señal a través de su ancho de banda para que la interfaz funcione correctamente.

¿Nos importa el ancho de banda de la señal?

La respuesta es sí y no. Técnicamente, el ancho de banda de una señal es infinito, así que no importa lo que hagas, tu E/S digital siempre está intentando generar frecuencias que se extienden hasta el infinito. A medida que una señal se propaga a través del canal, esa potencia se pierde con una mayor atenuación en frecuencias más altas. Lo que sale del canal e interactúa con el receptor sigue siendo una señal con ancho de banda infinito, pero el contenido de alta frecuencia se reduce debido a pérdidas dieléctricas, pérdidas en el cobre y pérdidas por radiación.

Con eso en mente, veamos la lista completa de pasos que detallan lo que sucede desde que una señal comienza en un transmisor y llega a un receptor.

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1. La señal se descarga a través del pin de salida hacia el canal físico, y el voltaje aumenta. En este punto, el tiempo de subida es el más rápido que puede ser.
2. La señal comienza a viajar a lo largo de la línea de transmisión. Durante el viaje, la potencia a altas frecuencias se atenúa, lo que reduce la tasa de cambio de los bordes.
3. La señal llega al receptor, y parte de la potencia por encima del ancho de banda del receptor se refleja. La señal interactúa con la entrada del receptor y aumenta hasta alcanzar su voltaje final.

Debido a que las pérdidas están reduciendo el contenido de alta frecuencia de la señal, la tasa de cambio de los bordes se ralentiza durante la propagación.Lee este artículo relacionado para un ejemplo extremo de degradación de la tasa de cambio de los bordes.

Debido a que siempre definimos las PCBs de alta velocidad por el tiempo de subida, y debido a fórmulas sobregeneralizadas como la fórmula de la frecuencia de codo, esto crea la percepción de que necesitamos de alguna manera usar el ancho de banda de la señal para diseñar cosas en un canal. El ejemplo más común es el uso del tiempo de subida de una señal para calcular una longitud crítica, algo que es un ejercicio inútil y una excusa para no calcular la impedancia de la traza. El problema con esto es muy simple: en una línea de transmisión larga, el tiempo de subida de la señal no tiene relación con la frecuencia de codo del receptor porque ¡la señal no ha llegado al pin de entrada del receptor! Por lo tanto, conceptos como el tiempo de subida y la frecuencia de codo no deberían jugar ningún papel en el diseño de una PCB de alta velocidad con canales de Gbps o superiores.

Tiempo de Subida - ¿Para qué sirve?

¡Absolutamente para nada!

Estoy bromeando, por supuesto... el tiempo de subida es una herramienta importante para estimar o entender algunos aspectos de la integridad de señal y EMI/EMC. Esto incluye:

• Estimar la magnitud del diafonía
• Entender la resolución de espacio e impedancia de las mediciones TDR
• Entender las especificaciones de capacitancia de carga de prueba
• Identificar fuentes de EMI
• Predicción del ancho de banda mínimo del osciloscopio necesario para medir una señal con precisión

La lista anterior solo especifica cómo el tiempo de subida influye en la integridad de señal y las mediciones, no una tarea de diseño real. En realidad, hay sorprendentemente pocas situaciones donde el tiempo de subida de la señal necesita ser usado directamente como una ayuda para diseñar una línea de transmisión para un PCB de alta velocidad. Estas se reducen a dos instancias:

• Emparejamiento de retraso de tiempo en pares diferenciales
• Emparejamiento de impedancia en serie o paralelo de buses sin una especificación de impedancia

La primera instancia es muy directa y no requiere mucho más que una estimación del tiempo de subida, que se puede obtener de una hoja de datos para una capacitancia de carga de prueba dada. La segunda instancia solo se aplica a muy pocas situaciones, como GPIOs rápidos, SPI/QSPI/PPI, o alguna lógica especializada. Esto se basaría enteramente en un análisis de longitud crítica.

La conclusión

En resumen, la mayoría de las discusiones sobre el ancho de banda de "tiempo de subida" en lo que respecta a la señal a menudo están discutiendo la respuesta de algo impulsado por una función escalón, no el ancho de banda infinito de una señal digital. Para los diseñadores de alta velocidad, la conclusión aquí es muy simple: porque usamos este concepto de ancho de banda del canal para evaluar el diseño de una línea de transmisión, necesitarás verificar la integridad de la señal a lo largo del ancho de banda del canal. El uso del tiempo de subida no permite este enfoque importante.

Esto no quiere decir que las simulaciones basadas en el tiempo de subida no sean útiles, solo que no capturan la imagen completa del comportamiento del canal. Mencioné los diagramas de ojo arriba, pero hay dos otras instancias importantes donde las simulaciones basadas en el tiempo de subida son útiles:  

• Simulaciones de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR)
• Evaluando la causalidad del modelo en el dominio del tiempo

He discutido la causalidad en otro artículo. En un futuro artículo, examinaré cómo entender y usar un trazo de TDR como parte del diseño de PCB de alta velocidad y la integridad de señal.

Por ahora, mi consejo para los diseñadores es simple: el concepto de tiempo de subida como herramienta para entender la necesidad de emparejamiento de impedancias solo es aplicable en unas pocas interfaces unipolares rápidas. Todas las demás instancias que involucran pares diferenciales controlados por impedancia no utilizan un concepto de tiempo de subida en absoluto, excepto para entender la sintonización de retraso/emparejamiento de longitud. Para estos canales diferenciales seriales más rápidos, siempre diseñe para la impedancia objetivo y comprenda cómo calificar los canales usando el ancho de banda como su métrica guía.

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