Largeur de bande du canal : La bonne manière de qualifier les interconnexions PCB à haute vitesse

Si vous lisez les directives de conception de PCB à haute vitesse provenant des fabricants de semi-conducteurs et des non-experts, ils parlent toujours de l'utilisation du temps de montée pour analyser l'intégrité du signal. Le temps de montée du signal est important, car il détermine des éléments comme l'EMI, le diaphonie et les tolérances de réglage du retard. Si votre conception fonctionne à des débits de données de l'ordre du gigabit par seconde et plus, votre temps de montée se termine généralement avec le réglage du retard, et tous les autres facteurs d'intégrité du signal sont analysés dans le domaine fréquentiel.

Les concepteurs professionnels pensent en termes d'une métrique simple : la bande passante. Chaque fois que la bande passante est mentionnée, les concepteurs novices évoquent immédiatement la fréquence de coupure comme mesure de la bande passante du signal. C'est complètement faux. Tous les signaux numériques ont une bande passante infinie, même après avoir été atténués par une ligne de transmission physique.

Mais lors de la conception à des vitesses multi-Gbps, la bande passante pertinente est la bande passante du canal. En d'autres termes, il s'agit de la plage de fréquences à travers laquelle une ligne de transmission permet une transmission forte des signaux avec une atténuation ou des réflexions minimales. Une compréhension de base de la manière dont la bande passante est déterminée à partir des paramètres S est obligatoire pour quiconque souhaite travailler au-delà de 1 Gbps.

Comment quantifier la bande passante

La bande passante peut être déterminée à partir d'une mesure de la plage de fréquences. Toutes les interfaces numériques nécessitent une bande passante, ce qui signifie que le canal physique reliant un émetteur et un récepteur doit admettre une certaine quantité de bande passante dans une plage de fréquences spécifique (de DC jusqu'à une fréquence maximale). Dit autrement, une spécification de bande passante peut être décrite comme suit :

• Un canal physique ne doit pas absorber ou réfléchir trop de puissance dans une plage de fréquences de DC jusqu'à une fréquence maximale.

Nous pouvons vérifier qu'un canal physique (c'est-à-dire, une ligne de transmission) fournit suffisamment de bande passante en regardant un graphique de paramètres S. Il existe d'autres graphiques de paramètres que nous pourrions utiliser également, tels que la fonction de transfert ou les paramètres T, mais l'utilisation la plus courante est celle des paramètres S.

Considérons le graphique de perte de retour pour une paire de vias aveugles différentiels ci-dessous, qui monte à sa limite de -10 dB à environ 70 GHz. Nous pourrions dire que ce canal (vias aveugles connectés à des paires différentielles appariées en impédance de 100 Ohms) dispose de 70 GHz de bande passante.

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Lorsque l'on examine un graphique de paramètres S ou un graphique de fonction de transfert, nous devons avoir une définition cohérente de ce qui détermine la bande passante maximale d'un canal. Pour un graphique de paramètres S, une limite de bande passante de facto est la fréquence la plus basse où la perte de retour atteint jusqu'à -10 dB. Dans l'exemple de graphique ci-dessus, la ligne de transmission en question serait capable de fournir 23 GHz de bande passante basée sur le spectre de perte de retour.

Ceci n'est pas une norme universelle, et il convient de noter que différentes interfaces auront des exigences différentes pour la ligne de transmission utilisée pour transporter un signal. Par exemple, dans certaines recherches du groupe de travail 802.3 sur la signalisation 224G PAM-4, la limite de bande passante est définie à une perte de retour de -15 dB plutôt que de -10 dB.

Comment la bande passante du canal est-elle liée au débit de données ?

Bien qu'il soit vrai que nous ne catégorisons généralement pas les interfaces numériques comme à haute vitesse uniquement sur la base de leur débit de données, la bande passante d'un canal est liée au débit de données que ce canal peut transporter entre deux composants. Le débit de données maximal qu'un canal peut transférer est lié à la bande passante du canal par la formule du taux de Nyquist. Cette formule n'a pas la même signification que lorsqu'elle est appliquée aux ADC ; elle a une signification différente lorsqu'on discute de la communication de données numériques à travers un canal physique.

La relation entre la bande passante et le débit de données est basée sur le nombre de niveaux logiques disponibles pour l'interface pendant chaque cycle d'horloge. Cette formule est :  

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Dans cette formule, nous supposons que le temps de montée est infiniment rapide et que la bande passante est définie comme une coupure nette à la fréquence limite de bande passante. En théorie, cela signifierait que l'intégrité du signal pour les données numériques pourrait être prédite en utilisant uniquement un graphique de perte de retour, mais cela n'est pas vrai en pratique. Parce que les pertes sont des fonctions de la fréquence et dégradent lentement le signal pendant la propagation, nous devons examiner le comportement du signal à l'extrémité réceptrice d'une ligne de transmission.

C'est pourquoi nous utilisons un diagramme de l'œil pour visualiser les signaux au niveau du récepteur. Le taux de variation et le bruit à chaque niveau logique dans le diagramme de l'œil détermineront le taux d'erreur binaire (BER). Tant que le taux d'erreur binaire est suffisamment bas, le canal peut être considéré comme transférant assez de puissance du signal à travers sa bande passante pour que l'interface fonctionne correctement.

Se soucie-t-on réellement de la bande passante du signal ?

La réponse est à la fois oui et non. Techniquement, la bande passante d'un signal est infinie, donc quoi que vous fassiez, votre entrée/sortie numérique essaie toujours de générer des fréquences s'étendant à l'infini. À mesure qu'un signal se propage à travers le canal, cette puissance est perdue avec une atténuation plus grande à des fréquences plus élevées. Ce qui sort du canal et interagit avec le récepteur est toujours un signal à bande passante infinie, mais le contenu à haute fréquence est réduit en raison des pertes diélectriques, des pertes dans le cuivre et des pertes par rayonnement.

Avec cela à l'esprit, examinons la liste complète des étapes détaillant ce qui se passe lorsqu'un signal commence au niveau d'un émetteur et atteint un récepteur.

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1. Le signal est déposé à travers la broche de sortie dans le canal physique, et la tension monte. À ce moment, le temps de montée est le plus rapide possible.
2. Le signal commence à se propager le long de la ligne de transmission. Pendant le voyage, la puissance à hautes fréquences est atténuée, ce qui réduit le taux de montée.
3. Le signal atteint le récepteur, et une partie de la puissance au-dessus de la bande passante du récepteur est réfléchie. Le signal interagit avec l'entrée du récepteur et monte jusqu'à sa tension finale.

Comme les pertes réduisent le contenu en haute fréquence du signal, le taux de montée ralentit pendant la propagation.Lisez cet article connexe pour un exemple extrême de dégradation du taux de montée.

Parce que nous définissons toujours les PCB à haute vitesse par le temps de montée, et à cause de formules trop généralisées comme la formule de la fréquence de genou, cela crée une perception selon laquelle nous devons d'une manière ou d'une autre utiliser la bande passante du signal pour concevoir des choses dans un canal. L'instance la plus commune est l'utilisation du temps de montée d'un signal pour calculer une longueur critique, ce qui est un exercice inutile et une excuse pour ne pas calculer l'impédance de la trace. Le problème avec cela est très simple : dans une ligne de transmission longue, le temps de montée du signal n'a aucune relation avec la fréquence de genou du récepteur parce que le signal n'a pas atteint la broche d'entrée du récepteur ! Par conséquent, des concepts comme le temps de montée et la fréquence de genou ne devraient jouer aucun rôle dans la conception d'un PCB à haute vitesse avec des canaux de Gbps ou plus.

Temps de Montée - À quoi ça sert ?

Absolument à rien !

Je plaisante, bien sûr… le temps de montée est un outil important pour estimer ou comprendre certains aspects de l'intégrité du signal et de l'EMI/EMC. Cela inclut :

• Estimer l'ampleur du diaphonie
• Comprendre la résolution d'espace et d'impédance des mesures TDR
• Comprendre les spécifications de capacité de charge de test 
• Identifier les sources d'EMI
• Prédire la bande passante minimale de l'oscilloscope nécessaire pour mesurer un signal avec précision

La liste ci-dessus spécifie seulement comment le temps de montée influence l'intégrité du signal et les mesures, et non une tâche de conception réelle. En réalité, il existe étonnamment peu de situations où le temps de montée du signal doit réellement être utilisé directement comme aide à la conception d'une ligne de transmission pour un PCB à haute vitesse. Celles-ci se réduisent à deux instances :

• Appariement du retard temporel dans les paires différentielles
• Adaptation d'impédance en série ou en parallèle des bus sans spécification d'impédance

La première instance est très simple et ne nécessite guère plus qu'une estimation du temps de montée, qui peut être prise à partir d'une fiche technique pour une capacité de charge de test donnée. La seconde instance ne s'applique qu'à très peu de situations, telles que les GPIOs rapides, SPI/QSPI/PPI, ou certaines logiques spécialisées. Ceci serait entièrement basé sur une analyse de longueur critique.

À retenir

En résumé, la plupart des discussions sur la bande passante du "temps de montée" en ce qui concerne le signal discutent souvent de la réponse de quelque chose entraîné par une fonction d'échelon, et non de la bande passante infinie d'un signal numérique. Pour les concepteurs à haute vitesse, le message à retenir ici est très simple : parce que nous utilisons ce concept de bande passante de canal pour évaluer la conception d'une ligne de transmission, vous devrez vérifier l'intégrité du signal à travers la bande passante du canal. L'utilisation du temps de montée ne permet pas cette approche importante.

Cela ne veut pas dire que les simulations basées sur le temps de montée ne sont pas utiles, juste qu'elles ne capturent pas l'image complète du comportement du canal. J'ai mentionné ci-dessus les diagrammes de l'œil, mais il y a deux autres instances importantes où les simulations basées sur le temps de montée sont utiles :  

• Simulations de réflectométrie dans le domaine temporel (TDR)
• Évaluation de la causalité du modèle dans le domaine temporel

J'ai discuté de la causalité dans un autre article. Dans un futur article, je regarderai comment comprendre et utiliser une trace TDR comme partie de la conception de PCB à haute vitesse et de l'intégrité du signal.

Pour l'instant, mon conseil aux concepteurs est simple : le concept de temps de montée comme outil pour comprendre le besoin d'adaptation d'impédance n'est applicable que sur quelques interfaces unilatérales rapides. Toutes les autres instances impliquant des paires différentielles contrôlées par l'impédance n'utilisent pas du tout le concept de temps de montée, sauf pour comprendre l'ajustement du délai/la correspondance de longueur. Pour ces canaux différentiels série plus rapides, concevez toujours en fonction de l'impédance cible et comprenez comment qualifier les canaux en utilisant la bande passante comme votre métrique directrice.

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