Astuces du métier : Dispositifs d'intégrité des signaux

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

Comme dans tout autre métier, les ingénieurs de l’intégrité des signaux (IS) utilisent des outils très spécialisés. Les outils d'intégrité des signaux (IS) sont souvent des afficheurs de paramètres S, des solveurs EM 3D ou des appareils de mesure. Ces outils ont une chose en commun : l'analyse. Quels dispositifs les ingénieurs IS préfèrent-ils pour faciliter leur travail ? Dans cet article, je vous parlerai de trois dispositifs qui font gagner du temps et de l'argent : les câbles de test multiports, les commutateurs RF et l'ancien filtre RC.

Câbles de test multiports

Les normes actuelles de transmission en série à haut débit orientent nos méthodes pour développer des canaux 56Gb/s. Pour évaluer correctement ces canaux, nous devons mesurer leur performance jusqu'à au moins 28 GHz. À cette fréquence, nous utilisons des connecteurs coaxiaux de 2,92 mm. Le connecteur de montage à compression verticale, qui est la version la plus courante depuis plus d'une décennie, est cher. Et la broche de compression de ces connecteurs se déplace dans le corps du connecteur pendant l’utilisation. Lorsque vous retirez le connecteur pour le monter sur une autre carte, vous avez une chance sur deux qu’il fonctionne. Les systèmes de tests IS typiques comptent 32 connecteurs de ce type. Et les ingénieurs IS effectuent un nombre impressionnant de ces tests ! Les coûts s'accumulent rapidement et peuvent être prohibitifs. 

Heureusement, les progrès de la technologie de montage par compression ont permis d'éviter ce problème, car il existe des assemblages de câbles réutilisables qui font office de connecteurs coaxiaux verticaux montés en surface. Ces assemblages représentent un investissement initial élevé. Mais en une année, ils peuvent faire économiser à votre entreprise des centaines de milliers d’euros par rapport aux connecteurs coaxiaux. Ces ensembles de câbles comportent entre 8 et 32 connexions, ce qui signifie que vous pouvez les utiliser avec votre VNA de 8 à 32 ports et n'utiliser qu'un seul connecteur par test. De plus, la densité du signal est beaucoup plus élevée que ce que peuvent offrir des connecteurs coaxiaux. Vous pouvez donc choisir des conceptions à faible perte et qui fonctionneront avec de plus hautes fréquences. 

Voyons deux exemples de produits de ce type qui utilisent la technologie de montage par compression. Il s’agit du connecteur BullsEye de Samtec, et du Terminator de Ardent Concepts.

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

Des outils pour le dispositif d’intégrité du signal: les connecteurs BullsEye BE70 de Samtec, offrant une bande passante de 70GHz. 

Commutateurs large bande RF

Les commutateurs RF peuvent être utilisés pour accélérer les tests, économiser de l'espace sur un circuit imprimé ou faire des économies en limitant le nombre de connecteurs coaxiaux. Nous avons deux grandes catégories de commutateurs à large bande.

  • Les commutateurs à semiconducteurs
  • Les commutateurs électromécaniques

Les commutateurs électromécaniques offrent des largeurs de bande nombreuses et variées, avec un nombre de ports élevé. Les bandes passantes varient de 1 GHz à 67 GHz. Le commutateur peut avoir la taille d’une unité unipolaire à 12 directions ou SP12T. Les pôles sont le nombre de nœuds ordinaires entre les ports, et les directions sont le nombre de positions auxquelles le commutateur peut être connecté. Par conséquent, si vous connectez les pôles de quatre commutateurs SP12T à chaque port d'un VNA à quatre ports, vous pouvez effectuer 48 mesures sans changer une seule connexion ! C'est une solution remarquablement puissante, mais j'ai quelques mises en garde à faire avant de vous précipiter chez votre fournisseur. 

1. Tous les commutateurs sont pas nés égaux sous le soleil...

Ces commutateurs sont disponibles à deux niveaux.

  • Standard
  • Répétabilité élevée

Les commutateurs standard sont très utiles lorsque la phase n'est pas un problème. Ils font des merveilles avec la plupart des SerDes, des antennes ou des dispositifs à deux ports. Des commutateurs à haute répétabilité sont nécessaires pour les mesures multimodales. La phase ne change pas entre les directions, ce qui se traduit par des mesures cohérentes et des résultats de conversion de mode fiables. 

2. Un minimum d’assemblage est nécessaire.

Les commutateurs RF sont fondamentalement des canettes, et on préfère ne pas les avoir sur le plan de travail. Dans la pratique, il est préférable de les utiliser lorsqu’un montage sur un châssis ou un rack est envisagé. La conception du dispositif de montage est relativement facile, mais cela n’a rien à voir avec ce qu’il faut faire pour les utiliser. Quand j'ai commencé avec ces derniers, j'ai préféré réaliser un premier montage approximatif pour vérifier le concept. N'ayez donc pas peur de faire des essais !

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

Commutateurs RF à large bande Radiall SP12T partiellement chargés, montés sur un cadre en plexiglas.

Ces deux sites web vous offrent des choix de commutateurs RF.

www.dowkey.com

www.radiall.com

Les commutateurs à semi-conducteurs sont petits et faciles à utiliser. Le circuit de commande général est essentiellement le même que le circuit électromécanique, mais le commutateur à semi-conducteurs se monte directement sur un PCB. Selon les situations, cela peut être un inconvénient ou un avantage. Si votre dispositif testé se trouve sur le même circuit imprimé que le commutateur, ce type vous permet de réduire considérablement le nombre de connecteurs avec un ou deux commutateurs. Comme le circuit est déjà sur le PCB, vous n'avez pas besoin de concevoir du matériel de montage supplémentaire . Un autre avantage est que ces commutateurs sont extrêmement stables en phase. Par conséquent, avec ce type, les problèmes de conversion de mode ne sont pas un souci. Ils offrent aussi des délais d'établissement plus courts et sont nettement moins coûteux que des commutateurs électromécaniques. Par contre, si vous devez connecter à partir du PCB avec un câble coaxial, lorsque le commutateur est monté ailleurs, le nombre de connecteurs, les coûts et les pertes augmenteront. 

Les commutateurs à semi-conducteurs sont particulièrement efficaces lorsqu'ils servent à tester des dispositifs optiques, des SerDes et des dispositifs RF en grand nombre. Les deux premiers scénarios sont préférables, car ils permettent de placer un répéteur après le commutateur pour obtenir une grande intégrité de signal répétable dans le dispositif testé. Dans le troisième scénario, vous pouvez mettre en place des réseaux de dispositifs qui peuvent être testés au fur et à mesure qu'ils sont placés dans les systèmes. 

Vous pourriez penser que des commutateurs électromécaniques ne se justifient pas lorsque vous pouvez utiliser des commutateurs à phase stable et peu coûteux qui ne nécessitent pas de matériel de montage supplémentaire. Les deux inconvénients des commutateurs à semi-conducteurs qui redonnent de la pertinence aux interrupteurs électromécaniques sont la perte d'insertion et des limites de puissance. Les commutateurs à semi-conducteurs présentent généralement une perte de quelques dB par canal, et la piste du PCB qui se connecte au commutateur ajoute une perte supplémentaire. Cette perte supplémentaire limite la largeur de bande effective pour les opérations de post-traitement, tel que le de-embedding. En outre, vous ne pouvez pas les utiliser lorsque le niveau de courant est élevé, sous peine de les détruire. 

J’ajoute deux liens pour accéder à des sites de fournisseurs de commutateurs à semiconducteurs.

www.analog.com

www.psemi.com

Circuits RC pour l’égalisation

Pour l'égalisation, vous pensez probablement utiliser des SerDes avec des schémas de réglages automatiques intégrés. Mais que se passe-t-il lorsque vous utilisez un canal relativement simple et que vous n'avez pas accès à ces SerDes haut de gamme ? Dans ce cas, vous pouvez toujours utiliser un filtre RC comme égaliseur. 

Schematic diagram of a parallel RC filter

Un autre outil pour le dispositif d’intégrité du signal: le filtre RC parallèle

Filtre RC parallèle

Ils fonctionnent très bien jusqu'à 10 Gb/s. Même si vous n'allez pas faire fonctionner un système 112G, ils vous apportent une solution rentable pour les conceptions patrimoniales ou les signaux de contrôle PCIe. L’impédance de cet élément est :

Z = - j * R / (ω * R * C - j

où R est la résistance de la résistance et C est la capacitance du condensateur. En traçant la magnitude de l'impédance, vous verrez clairement s'il s'agit d'un filtre passe-bas. 

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

Comprendre le dispositif d’intégrité du signal: Impédance d’un filtre RC : R = 100 Ohms, C = 10e-12 Farads

Pour utiliser ce filtre, commencez par cibler un débit de données. À titre d’exemple, nous utiliserons 10 Gb/s. Ensuite, trouvez la perte à la fréquence de Nyquist. Dans ce cas, la fréquence de Nyquist est de 5 GHz. J'ai créé un exemple de ligne d’émission avec 13 dB de perte à 5 GHz. Vous voyez ci-dessous le tracé de la perte d'insertion.

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

Comprendre le dispositif d’intégrité du signal :Exemple de ligne d’émission avec 13 dB de perte à 5 GHz.

Pour calculer la valeur approximative de la résistance, utilisez l'équation suivante.

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

J'ai constaté que cette équation a tendance à surégaliser légèrement... Pour cet exemple, j'utilise -10 dB pour la perte et 50 ohms pour l'impédance du système, et la résistance résultante est de 216 ohms environ. Ensuite, calculez la valeur du condensateur à l'aide de l'équation suivante.

C = 1 / (f_Nyquist * R

Voyons maintenant ce que cela donne à 10 Gb/s.

Avant :

Après :

La différence est impressionnante ! Des schémas plus avancés sont maintenant disponibles pour créer ces valeurs de composants, mais comme vous pouvez le voir, celui-ci fonctionne très bien. Des solutions de ce type intégrées dans un circuit sont disponibles, mais pourquoi payer plus quand on peut le faire soi-même ?

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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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