Secretos del oficio: dispositivos de integridad de la señal

Jason J. Ellison
|  Created: October 17, 2019  |  Updated: December 18, 2020

Secretos del oficio: dispositivos de integridad de la señal

Como en cualquier otra profesión, los ingenieros de integridad de la señal utilizan herramientas de nicho. Las herramientas de medición de integridad de la señal (SI) consideradas a menudo son los visores de parámetros de dispersión (parámetros S), solucionadores electromagnéticos en 3D o equipos de medición. Todas estas herramientas tienen una cosa en común: el análisis. ¿Y los dispositivos que los ingenieros de SI implementan para facilitarles la vida? En este artículo, analizaremos tres dispositivos que permiten ahorrar tiempo y dinero: cables de prueba multipuerto, interruptores RF y el antiguo filtro RC.

Conjuntos de cables de RF multipuerto

Los estándares de transmisión en serie de alta velocidad de hoy nos guían sobre cómo desarrollar canales de 56 Gb/s. Para evaluar correctamente estos canales, necesitamos medir el rendimiento del canal a un nivel mínimo de 28 GHz. A esa frecuencia, utilizamos conectores coaxiales de 2,92 mm. El conector de compresión vertical, que ha sido la versión más popular durante más de una década, es costoso, y el pin de compresión de estos conectores se mueve hacia el cuerpo del conector cuando se coloca. Al retirar el conector y aplicarlo a otra placa, hay una probabilidad del 50% de que funcione. Los accesorios de prueba de SI típicos tienen 32 de estos conectores, y los ingenieros de SI usamos muchos accesorios de prueba. Los costes se suman rápidamente y pueden ser abrumadores. 

Afortunadamente, los avances en la tecnología de montaje por compresión han hecho que esto no sea un problema, puesto que hay conjuntos de cables reutilizables que actúan como conectores coaxiales de montaje superficial en vertical. La inversión inicial en estos conjuntos es alta; sin embargo, en el transcurso de un año, pueden ahorrar a la empresa cientos de miles de euros en conectores coaxiales. Estos conjuntos de cables tienen entre 8 y 32 conexiones, lo que significa que pueden utilizarse con un analizador de redes vectoriales (VNA) de 8 a 32 puertos y usar solo un conector por prueba. Además, la densidad de la señal es mucho más alta de lo que se puede lograr con conectores coaxiales, y eso permite diseños de pérdidas más bajas que se pueden «compensar» a frecuencias altas. 

Tengo dos ejemplos de esos productos que utilizan tecnología de montaje por compresión. El primero es el conector BullsEye de Samtec y, el segundo, Terminator de Ardent Concepts.

Multiple rendered images of Samtec BullsEye BE70 connector systems capable of 70GHz of bandwidth. Image courtesy of Samtec, Inc.

Dispositivo de integridad de señal: sistema de conector BullsEye BE70 de Samtec para ancho de banda de hasta 70 GHz. Imagen por cortesía de Samtec, Inc.

Interruptores de RF de banda ancha

Los interruptores o conmutadores de RF sirven para acelerar las pruebas, ahorrar espacio en la PCB o ahorrar dinero, al usar menos conectores coaxiales. Hay dos tipos principales de interruptores de banda ancha.

  • De semiconductores
  • Electromecánicos

Los interruptores electromecánicos vienen en una gran variedad de anchos de banda y número de puertos. Los anchos de banda varían de 1 GHz a 67 GHz, y el interruptor puede ser tan grande como uno monopolar de 12 vías, o SP12T. Los polos son el número de nodos comunes entre puertos, y las vías son el número de posiciones en las que se puede conectar el interruptor. Esto significa que, al conectar los polos de cuatro interruptores SP12T a cada puerto de un VNA de cuatro puertos, es posible hacer 48 mediciones sin cambiar las conexiones. Es muy potente, pero debería añadir algunas notas de advertencia antes de salir corriendo a comprar un conjunto de cuatro de estos interruptores. 

1. No todos los interruptores son iguales.

Hay dos niveles de estos interruptores

  • Estándar
  • De alta repetibilidad

Los interruptores estándar son excelentes cuando la fase no es un aspecto importante. Funcionan muy bien con la mayoría de serializadores-deserializadores (SerDes), antenas o dispositivos de dos puertos. Los interruptores de alta repetibilidad son necesarios para las mediciones multimodo. La fase no cambia entre vías, lo que se traduce en mediciones constantes y resultados de conversión de modo fiables. 

2. Requieren un cierto montaje

Los interruptores de RF son, esencialmente, latas, y no sirven para gran cosa apoyados simplemente en el banco de laboratorio. En la práctica, son especialmente útiles montados en un chasis o un bastidor. Diseñar el dispositivo de montaje es relativamente fácil, pero es algo más que deberemos hacer si queremos utilizarlos. Cuando empecé, hice un aparejo tosco para una prueba de concepto. Por eso, no tengas miedo de ponerte manos a la obra y crear algo.

Various lab devices in the background with partially loaded SP12T Radiall switches mounted to a plexiglass frame in the foreground.

Dispositivo de integridad de señal: interruptores Radiall SP12T parcialmente cargados y montados en un marco de plexiglás

Estos son dos sitios web de interruptores RF que merece la pena visitar.

www.dowkey.com

www.radiall.com

El interruptor de semiconductores es pequeño y fácil de usar. El circuito de control general es básicamente el mismo que el electromecánico, pero el factor de forma del interruptor de semiconductores se monta directamente en una PCB. Esto puede ser bueno o malo. Si el dispositivo sometido a prueba (DUT) está en la misma PCB que el interruptor, es posible sustituir muchos conectores del diseño por uno o dos interruptores. Puesto que el circuito ya está en la PCB, no es necesario diseñar hardware de montaje adicional. Otra ventaja es que estos interruptores son extremadamente estables en fase. Por tanto, no hay preocupaciones en cuanto se refiere a problemas de conversión de modo. Además, tienen tiempos de estabilización más rápidos y son muy económicos si se comparan con los interruptores electromecánicos. Por otro lado, si es necesario conectar desde la PCB donde reside el interruptor a otro lugar con un cable coaxial, el resultado son más conectores, costes y pérdidas. 

Los interruptores de semiconductores dan lo mejor de sí cuando se usan para pruebas de dispositivos ópticos, pruebas de SerDes y pruebas de dispositivos de RF de alto volumen. Los dos primeros supuestos son excelentes, porque se puede colocar un repetidor después del interruptor para obtener una buena integridad de la señal, repetible, en el dispositivo sometido a prueba. En el tercer supuesto, se pueden configurar matrices de dispositivos que se pueden probar a medida que se colocan en los accesorios. 

Podrías estar pensando que no hay cabida para los interruptores electromecánicos cuando se pueden obtener interruptores de fase estables y económicos que no necesitan hardware de montaje adicional. Los dos inconvenientes de los interruptores de semiconductores que convierten a los interruptores electromecánicos en relevantes son la pérdida por inserción y los límites de potencia. Los interruptores de semiconductores suelen tener unos pocos dB de pérdida por canal, y la pista de PCB que se conecta al interruptor agrega una pérdida adicional. La pérdida adicional limita el ancho de banda efectivo para las operaciones de posprocesamiento, como la compensación. Además, no se pueden usar para ninguna aplicación de alta corriente, o se quemarán. 

Estos son dos enlaces a productos de conmutación por semiconductores que merece la pena visitar.

www.analog.com

www.psemi.com

Circuitos RC para ecualización

Cuando piensas en la ecualización, probablemente pienses en SerDes con esquemas de ajuste automático integrados, pero ¿y si estás trabajando con un canal relativamente simple y no tienes acceso a estos SerDes de alta gama? Siempre puedes usar un filtro RC como ecualizador. 

Schematic diagram of a parallel RC filter

Circuito RC en paralelo

Funcionan muy bien hasta 10 Gb/s. Aunque no conseguirás que un sistema 112G funcione con estos, ofrecen una solución rentable para diseños antiguos o señales de control de PCIe. La impedancia para este elemento es

Z = - j * R / (ω * R * C - j

donde R representa la resistencia y C representa la capacitancia. Al trazar la magnitud de la impedancia, puede ver claramente que se trata de un filtro de paso bajo. 

Figure showing an inverse relation between impedance and frequency of an RC filter with R = 100 Ohms and C = 10e-12 Farads

Impedancia de un circuito RC: R = 100 ohmios, C = 10e-12 faradios

Para utilizar este filtro, comienza por apuntar a una velocidad de datos. Para este artículo, usaré 10 Gb/s. A continuación, busca la pérdida en la frecuencia de Nyquist. En este caso, la frecuencia de Nyquist es de 5 GHz. He creado una línea de transmisión de ejemplo con una pérdida de 13 dB a 5 GHz. Su pérdida de inserción trazada se muestra a continuación.

Figure showing insertion loss in an almost linear relation in dB scale where the magnitude of a signal decreases as its frequency increases.

Ejemplo de línea de transmisión con una pérdida de 13 dB a 5 GHz en un circuito RC

Para calcular el valor de resistencia aproximado, usa la siguiente ecuación.

R = 2 * Z₀ / (10 ^ (loss / 20)) - 2 * Z₀

He observado que esta ecuación ecualiza un poco de más. Así, para este ejemplo, uso -10 dB de pérdida y 50 ohmios de impedancia del sistema, y la resistencia resultante es de aproximadamente 216 ohmios. Después, se calcula el valor de capacitancia con la siguiente ecuación.

C = 1 / (f_Nyquist * R

Veamos ahora qué hace esto al patrón de ojo a 10 Gb/s.

Antes:

Después:

¡Qué diferencia! Ahora, hay esquemas más avanzados para crear estos valores de componentes; pero como puedes ver, esto funciona bastante bien. Hay soluciones como esta que están integradas en un circuito, pero ¿por qué pagar más cuando puedes hacerlo tú mismo?

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Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

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