Quelle est la plage de fréquences et la bande passante des signaux à haute vitesse ?

Retournez à vos cours de mathématiques universitaires et rappelez-vous des spectres de Fourier ; ce concept vous indique que les signaux numériques peuvent être représentés comme une somme infinie de fréquences, avec la représentation commençant normalement à la fréquence d'horloge. À partir de là, les définitions de la largeur de bande du signal commencent à devenir très floues, avec de nombreuses définitions arbitraires appliquées pour définir les limites de fréquence sur un signal numérique.

En réalité, un signal numérique n'est pas une onde carrée parfaite et ne peut être approximé que par la fréquence de Fourier d'une onde carrée parfaite. De plus, une grande partie de ce qui est fait dans la conception de PCB à haute vitesse implique de concevoir une largeur de bande de canal pour accommoder une certaine largeur de bande de signal, même si de nombreux prétendus experts en conception de PCB à haute vitesse ne savent pas réellement qu'ils font cela.

Pour clarifier ces points, mon objectif dans ce guide est d'expliquer ce qu'est la largeur de bande d'un signal numérique et comment les concepteurs devraient se concentrer sur la largeur de bande du canal au lieu de se préoccuper de la largeur de bande du signal.

Largeur de Bande du Canal Versus Largeur de Bande du Signal

Lorsque nous parlons de la gamme de fréquences d'un signal à haute vitesse, le paramètre important est la puissance concentrée à différentes fréquences. En théorie, la gamme de fréquences du signal à haute vitesse s'étend jusqu'à l'infini, mais votre logiciel de conception de PCB doit utiliser une limite supérieure pour déterminer la bande passante appropriée d'un signal numérique à haute vitesse. Il existe plusieurs façons de définir la gamme de fréquences :

• En utilisant la fréquence de genou, soit environ 35 % de l'inverse du temps de montée
• En termes de la 5ème harmonique fondamentale du signal
• Comme la fréquence de Nyquist du récepteur

La réponse correcte est « aucune des réponses ci-dessus ».

Dans un sondage récent sur LinkedIn, l'un de mes contacts a demandé à la communauté quelle est la bande passante d'un signal numérique. Invariablement, presque chaque personne qui a répondu a fait référence à la fréquence de genou, qui est définie comme suit.

La fréquence de genou est une mesure incorrecte de la gamme de fréquences du signal à haute vitesse

Cette formule est une valeur incorrecte pour la bande passante d'un signal numérique car elle n'a aucun rapport avec la bande passante d'un signal provenant d'un pilote à haute vitesse. La fréquence de coupure est une mesure de la bande passante dans un circuit RC avant que l'action de filtrage passe-bas ne se produise, où le temps de montée de 10 % à 90 % est défini par la constante de temps RC. Cette constante de temps RC peut être considérablement différente de celle du signal provenant d'un pilote à haute vitesse.

Parce que la fréquence de coupure est basée sur une mesure du temps de montée pour un circuit capacitif, elle est, en réalité, une bande passante de canal. Elle s'applique uniquement lorsque le canal est infiniment court. Les canaux réels dans un PCB à haute vitesse peuvent ne pas se comporter de cette manière. Plus le circuit tampon dans le pilote numérique est rapide, moins il est probable que la fréquence de coupure soit valide.

En réalité, les signaux numériques ont une bande passante infinie même lorsqu'ils ont un temps de montée fini. Le spectre de puissance d'un signal numérique est donné par un ensemble d'harmoniques avec une enveloppe d'amplitude de fonction sinc, avec des interruptions périodiques étant une fonction du temps de montée et du taux de répétition.

Harmoniques dans un signal numérique avec une enveloppe de fonction sinc définissant l'amplitude. Notez que cela provoque l'annulation de la puissance de certaines harmoniques.

Peu importe la situation, le pilote numérique dans un canal à haute vitesse essaiera toujours de fournir un signal avec une bande passante infinie. Cependant, le canal qui transporte le signal jusqu'au récepteur va créer des pertes qui limitent la bande passante. Votre travail dans la conception de PCB à haute vitesse et la conception de PCB RF est de concevoir des canaux (c'est-à-dire, des lignes de transmission) qui fournissent une certaine quantité minimale de bande passante afin qu'assez de signal puisse passer au récepteur, et que le récepteur puisse ensuite récupérer des informations utiles à partir du signal.

Qu'est-ce qui limite la bande passante du canal ?

Il y a une chose qui limite la bande passante du canal : les pertes. Tous les mécanismes de perte dans un canal à haute fréquence servent à limiter la bande passante du signal lorsque le signal atteint le récepteur. Alors, sur un PCB, quels sont ces mécanismes de perte que le concepteur peut tenter de contrôler ? Ce sont la perte de retour, la perte d'insertion et la conversion de mode (pour les paires différentielles). Tout mécanisme de perte tombant dans ces deux catégories peut limiter la capacité du canal à transférer de l'énergie à un récepteur.

Dans la conception de PCB, tous les canaux limiteront la bande passante du signal ; il s'agit simplement de déterminer dans quelle mesure la bande passante d'un signal est limitée en raison de la bande passante du canal. Au-delà de la simple connaissance des types de pertes et des différents mécanismes de perte, il est important de connaître les différents éléments dans un PCB qui contribuent à ces pertes.

Pour quantifier la bande passante, nous disposons de certains outils qui aideront à déterminer quels mécanismes de perte sont excessifs ; cela implique l'utilisation de simulations et de mesures de paramètres S. Lorsque les résultats des paramètres S indiquent qu'il y a une limitation de bande passante (à travers une perte de retour élevée, une perte d'insertion et une conversion de mode), il est du devoir du concepteur de trouver les éléments limitant la bande passante dans le canal et de modifier la conception.

Réparer les canaux avec une bande passante limitée (trop de pertes)

Du point de vue de la limitation de la bande passante due à des pertes excessives, la réparation d'un canal à bande passante limitée nécessite de déterminer si les pertes du canal sont dominées par les réflexions ou par les pertes par insertion. Cela peut être déterminé à partir d'une mesure de réflectométrie dans le domaine temporel (TDR).

Lorsque la mesure TDR montre une réflexion significative, alors celles-ci doivent être minimisées s'il est déterminé que la perte de retour est excessive au sein de l'exigence de bande passante du canal. Un exemple de notre récente interview dans le podcast Altium OnTrack avec Yuriy Shlepnev est montré ci-dessous ; regardez l'épisode complet ici.

Mesure TDR simulée de Simbeor.

En se basant sur la coordonnée temporelle dans le tracé TDR, il est possible de déterminer la discontinuité d'impédance à chaque point le long d'une trace et de modifier le canal selon les besoins pour assurer une réflexion minimale. Dans d'autres cas, où il y a peu de réflexion mais une perte excessive, un matériel à perte plus faible ou un itinéraire plus court peut être nécessaire.

Dans le cas des paires différentielles, la troisième forme possible de perte, la conversion de mode, peut être déterminée à partir d'un tracé de paramètres S en mode mixte. Cela montrera la conversion de la puissance différentielle en puissance de mode commun, qui serait ensuite supprimée par le récepteur différentiel. Pour en savoir plus, lisez notre guide sur la conversion de mode dans les paires différentielles.

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