¿Cuál es el rango de frecuencia y el ancho de banda de la señal de alta velocidad?

Vuelve a tus clases de matemáticas universitarias y recuerda los espectros de Fourier; este concepto te indica que las señales digitales pueden representarse como una suma infinita de frecuencias, comenzando normalmente por la frecuencia del reloj. A partir de aquí, las definiciones del ancho de banda de la señal comienzan a ser muy confusas, con muchas definiciones arbitrarias aplicadas para definir límites de frecuencia en una señal digital.

En realidad, una señal digital no es una onda cuadrada perfecta y solo puede ser aproximada por la frecuencia de Fourier de una onda cuadrada perfecta. Además, mucho de lo que se hace en el diseño de PCB de alta velocidad implica diseñar un ancho de banda del canal para acomodar un cierto ancho de banda de señal, aunque muchos supuestos expertos en diseño de PCB de alta velocidad en realidad no saben que están haciendo esto.

Para aclarar estos puntos, mi objetivo en esta guía es explicar qué es el ancho de banda de una señal digital y cómo los diseñadores deberían enfocarse en el ancho de banda del canal en lugar de preocuparse por el ancho de banda de la señal.

Ancho de Banda del Canal Versus Ancho de Banda de la Señal

Cuando hablamos del rango de frecuencia de una señal de alta velocidad, el parámetro importante es la potencia concentrada en diferentes frecuencias. En teoría, el rango de frecuencia de la señal de alta velocidad se extiende hasta el infinito, pero su software de diseño de PCB necesita usar algún límite superior para determinar el ancho de banda apropiado de una señal digital de alta velocidad. Hay varias maneras de definir el rango de frecuencia:

• Usando la frecuencia de rodilla, o aproximadamente el 35% del inverso del tiempo de subida
• En términos de la 5ª armónica fundamental de la señal
• Como la frecuencia de Nyquist del receptor

La respuesta correcta es "ninguna de las anteriores".

En una encuesta reciente en LinkedIn, uno de mis contactos preguntó a la comunidad cuál es el ancho de banda de una señal digital. Invariablemente, casi todas las personas que respondieron se refirieron a la frecuencia de rodilla, que se define de la siguiente manera.

La frecuencia de rodilla es una medida incorrecta del rango de frecuencia de señal de alta velocidad

Esta fórmula es un valor incorrecto para el ancho de banda de señal digital porque no tiene nada que ver con el ancho de banda de señal que proviene de un controlador de alta velocidad. La frecuencia de rodilla es una medida del ancho de banda en un circuito RC antes de que ocurra la acción de filtrado de paso bajo, donde el tiempo de subida del 10% al 90% está definido por la constante de tiempo RC. Esta constante de tiempo RC puede ser considerablemente diferente que la señal proveniente de un controlador de alta velocidad.

Debido a que la frecuencia de rodilla se basa en una medición del tiempo de subida para un circuito capacitivo, es, en realidad, un ancho de banda de canal. Solo se aplica cuando el canal es infinitamente corto. Los canales reales en un PCB de alta velocidad pueden no comportarse de esta manera. Cuanto más rápido sea el circuito buffer en el controlador digital, menos probable será que la frecuencia de rodilla sea válida.

En realidad, las señales digitales tienen un ancho de banda infinito incluso cuando tienen un tiempo de subida finito. El espectro de potencia de una señal digital se da por un conjunto de armónicos con una envolvente de amplitud de función sinc, con interrupciones periódicas siendo una función del tiempo de subida y la tasa de repetición.

Armónicos en una señal digital con una envolvente de función sinc definiendo la amplitud. Note que esto causa que algunos armónicos tengan potencia cero.

No importa qué, el controlador digital en un canal de alta velocidad siempre intentará suministrar una señal con ancho de banda infinito. Sin embargo, el canal que lleva la señal al receptor creará pérdidas que limitarán el ancho de banda. Tu trabajo en el diseño de PCB de alta velocidad y diseño de PCB RF es diseñar canales (es decir, líneas de transmisión) que proporcionen cierta cantidad mínima de ancho de banda para que suficiente señal pueda pasar al receptor, y el receptor pueda entonces recuperar información útil de la señal.

¿Qué limita el ancho de banda del canal?

Hay una cosa que limita el ancho de banda del canal: las pérdidas. Todos los mecanismos de pérdida en un canal de alta frecuencia sirven para limitar el ancho de banda de la señal cuando la señal llega al receptor. Entonces, en un PCB, ¿cuáles son estos mecanismos de pérdida que el diseñador puede intentar controlar? Estos son la pérdida de retorno, la pérdida de inserción y la conversión de modo (para pares diferenciales). Cualquier mecanismo de pérdida que caiga en estas dos categorías puede limitar la capacidad del canal para transferir potencia a un receptor.

En el diseño de PCB, todos los canales limitarán el ancho de banda de la señal; es solo cuestión del grado en que el ancho de banda de una señal se ve limitado debido al ancho de banda del canal. Más allá de conocer los tipos de pérdida y los diversos mecanismos de pérdida, es importante conocer los diversos elementos en un PCB que contribuyen a estas pérdidas.

Para cuantificar el ancho de banda, disponemos de algunas herramientas que ayudarán a determinar qué mecanismos de pérdida son excesivos; esto implica el uso de simulaciones y mediciones de parámetros S. Siempre que los resultados de los parámetros S indiquen que hay una limitación de ancho de banda (a través de alta pérdida de retorno, pérdida de inserción y conversión de modo), es trabajo del diseñador encontrar los elementos que limitan el ancho de banda en el canal y modificar el diseño.

Arreglando Canales Con Ancho de Banda Limitado (Demasiada Pérdida)

Desde la perspectiva de la limitación de ancho de banda debido a pérdidas excesivas, arreglar un canal con ancho de banda limitado requiere determinar si las pérdidas del canal son dominadas por reflexiones o por pérdidas de inserción. Esto se puede determinar a partir de una medición de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR).

Cuando la medición TDR muestra una reflexión significativa, entonces estas deben minimizarse si se determina que la pérdida de retorno es excesiva dentro del requisito de ancho de banda del canal. Un ejemplo de nuestra reciente entrevista en el podcast Altium OnTrack con Yuriy Shlepnev se muestra a continuación; vea el episodio completo aquí.

Medición TDR simulada de Simbeor.

Basado en la coordenada de tiempo en la trama TDR, es posible determinar la discontinuidad de impedancia en cada punto a lo largo de un trazo y modificar el canal según sea necesario para asegurar una reflexión mínima. En otros casos, donde hay poca reflexión pero pérdidas excesivas, puede ser necesario un material de menor pérdida o una ruta más corta.

En el caso de pares diferenciales, la tercera forma posible de pérdida, la conversión de modo, se puede determinar a partir de una trama de parámetros S en modo mixto. Esto mostrará la conversión de potencia diferencial a potencia de modo común, que luego sería suprimida por el receptor diferencial. Para aprender más, lea nuestra guía sobre conversión de modo en pares diferenciales.

Ya sea que necesite construir electrónica de potencia confiable o sistemas digitales avanzados, utilice el conjunto completo de características de diseño de PCB y herramientas CAD de clase mundial en Altium Designer^®. Para implementar la colaboración en el entorno interdisciplinario de hoy, las empresas innovadoras están utilizando la plataforma Altium 365^™ para compartir fácilmente datos de diseño y poner proyectos en fabricación.

Apenas hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Comience su prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy.