Larghezza di Banda del Canale: Il Modo Corretto per Qualificare gli Interconnettori PCB ad Alta Velocità

Se leggi le linee guida per la progettazione di PCB ad alta velocità fornite dai produttori di semiconduttori e dai non esperti, parlano sempre dell'uso del tempo di salita per analizzare l'integrità del segnale. Il tempo di salita del segnale è importante, poiché determina fattori come EMI, diafonia e tolleranze di sintonizzazione del ritardo. Se il tuo progetto opera a velocità di dati nell'ordine dei gigabit al secondo o superiori, il tuo tempo di salita termina tipicamente con la sintonizzazione del ritardo, e tutti gli altri fattori di integrità del segnale vengono analizzati nel dominio della frequenza.

I progettisti professionisti pensano in termini di una metrica semplice: la larghezza di banda. Ogni volta che si menziona la larghezza di banda, i progettisti principianti portano immediatamente alla luce la frequenza di ginocchio come misura della larghezza di banda del segnale. Questo è completamente sbagliato. Tutti i segnali digitali hanno una larghezza di banda infinita, anche dopo essere stati attenuati da una linea di trasmissione fisica.

Ma quando si progetta a velocità multi-Gbps, la larghezza di banda rilevante è la larghezza di banda del canale. In altre parole, questa è la gamma di frequenze attraverso la quale una linea di trasmissione consente una forte trasmissione dei segnali con minima attenuazione o riflessioni. Una comprensione di base di come la larghezza di banda sia determinata dagli S-parametri è obbligatoria per chiunque voglia lavorare oltre 1 Gbps.

Come Quantificare la Larghezza di Banda

La larghezza di banda può essere determinata da una misurazione dell'intervallo di frequenza. Tutte le interfacce digitali hanno un requisito di larghezza di banda, il che significa che il canale fisico che collega un trasmettitore e un ricevitore deve ammettere una certa quantità di larghezza di banda all'interno di un intervallo specifico di frequenze (da DC fino ad una frequenza massima). Detto in un altro modo, una specifica di larghezza di banda può essere descritta come segue:

• Un canale fisico non deve assorbire o riflettere troppa potenza all'interno di un intervallo di frequenze da DC fino ad una frequenza massima.

Possiamo verificare che un canale fisico (cioè, una linea di trasmissione) fornisca abbastanza larghezza di banda guardando un grafico dei parametri S. Ci sono altri grafici di parametri che potremmo utilizzare, come la funzione di trasferimento o i parametri T, ma il più comune è l'uso dei parametri S.

Considera il grafico della perdita di ritorno per una coppia di vie cieche differenziali mostrato di seguito, che sale al suo limite di -10 dB a circa 70 GHz. Potremmo dire che questo canale (vie cieche collegate a coppie differenziali abbinate in impedenza di 100 Ohm) ha 70 GHz di larghezza di banda.

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Quando si osserva un grafico dei parametri S o un grafico della funzione di trasferimento, è necessario avere una definizione coerente di ciò che determina la larghezza di banda massima di un canale. Per un grafico dei parametri S, un limite di larghezza di banda de facto è la frequenza più bassa in cui la perdita di ritorno raggiunge fino a -10 dB. Nel grafico di esempio sopra, la linea di trasmissione in questione sarebbe in grado di fornire 23 GHz di larghezza di banda basata sullo spettro della perdita di ritorno.

Questo non è uno standard universale, e si dovrebbe notare che diverse interfacce avranno requisiti diversi per la linea di trasmissione utilizzata per trasportare un segnale. Ad esempio, in alcune ricerche del gruppo di lavoro 802.3 sulla segnalazione 224G PAM-4, il limite di larghezza di banda è definito a una perdita di ritorno di -15 dB piuttosto che -10 dB.

Come si Relaziona la Larghezza di Banda del Canale alla Velocità di Trasmissione dei Dati?

Sebbene sia vero che generalmente non classifichiamo le interfacce digitali come ad alta velocità basandoci esclusivamente sulla loro velocità di trasmissione dati, la larghezza di banda del canale è correlata alla velocità di trasmissione dati che un canale può trasportare tra due componenti. La massima velocità di trasmissione dati che un canale può trasferire è relazionata alla larghezza di banda del canale dalla formula del tasso di Nyquist. Questa formula non ha lo stesso significato quando viene applicata agli ADC; assume un significato diverso quando si discute della comunicazione di dati digitali attraverso un canale fisico.

La relazione tra larghezza di banda e velocità di trasmissione dati si basa sul numero di livelli logici disponibili per l'interfaccia durante ogni ciclo di clock. Questa formula è:  

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In questa formula, assumiamo che il tempo di salita sia infinitamente veloce e che la larghezza di banda sia definita come un taglio netto alla frequenza limite di banda. In teoria, ciò significherebbe che l'integrità del segnale per i dati digitali potrebbe essere prevista utilizzando solo un grafico di perdita di ritorno, ma questo non è vero nella pratica. Poiché le perdite sono funzioni della frequenza e degradano lentamente il segnale durante la propagazione, dobbiamo esaminare il comportamento del segnale all'estremità ricevente di una linea di trasmissione.

Ecco perché utilizziamo un diagramma ad occhio per visualizzare i segnali al ricevitore. Il tasso di variazione dei bordi e il rumore a ciascun livello logico nel diagramma ad occhio determineranno il tasso di errore di bit (BER). Finché il tasso di errore di bit è abbastanza basso, il canale può essere considerato in grado di trasferire abbastanza potenza del segnale attraverso la sua banda per permettere all'interfaccia di funzionare correttamente.

Ci interessa davvero la larghezza di banda del segnale?

La risposta è sia sì che no. Tecnicamente, la larghezza di banda del segnale è infinita, quindi, indipendentemente da ciò che fai, il tuo I/O digitale sta sempre cercando di generare frequenze che si estendono all'infinito. Man mano che un segnale si propaga attraverso il canale, quella potenza viene persa con un'attenuazione maggiore alle frequenze più alte. Quello che esce dal canale e interagisce con il ricevitore è ancora un segnale con larghezza di banda infinita, ma il contenuto ad alta frequenza è ridotto a causa delle perdite dielettriche, delle perdite di rame e delle perdite per irradiazione.

Quindi, tenendo presente ciò, diamo un'occhiata all'elenco completo dei passaggi che descrivono cosa succede quando un segnale parte da un trasmettitore e raggiunge un ricevitore.

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1. Il segnale viene lasciato cadere attraverso il pin di uscita nel canale fisico, e la tensione aumenta. A questo punto, il tempo di salita è il più veloce possibile.
2. Il segnale inizia a viaggiare lungo la linea di trasmissione. Durante il viaggio, la potenza ad alte frequenze viene attenuata, il che riduce il tasso di salita.
3. Il segnale raggiunge il ricevitore, e parte della potenza sopra la banda del ricevitore viene riflessa. Il segnale interagisce con l'ingresso del ricevitore e sale alla sua tensione finale.

A causa delle perdite che riducono il contenuto ad alta frequenza del segnale, il tasso di salita rallenta durante la propagazione.Leggi questo articolo correlato per un esempio estremo di degradazione del tasso di salita.

Poiché definiamo sempre le PCB ad alta velocità in base al tempo di salita, e a causa di formule troppo generalizzate come la formula della frequenza di ginocchio, ciò crea la percezione che dobbiamo in qualche modo utilizzare la larghezza di banda del segnale per progettare cose in un canale. L'istanza più comune è l'uso del tempo di salita del segnale per calcolare una lunghezza critica, qualcosa che è un esercizio inutile e una scusa per non calcolare l'impedenza della traccia. Il problema con questo è molto semplice: in una linea di trasmissione lunga, il tempo di salita del segnale non ha alcuna relazione con la frequenza di ginocchio del ricevitore perché il segnale non ha raggiunto il pin di ingresso del ricevitore! Pertanto, concetti come il tempo di salita e la frequenza di ginocchio non dovrebbero giocare alcun ruolo nella progettazione di una PCB ad alta velocità con canali da Gbps o superiori.

Tempo di Salita - A cosa serve?

Assolutamente a nulla!

Scherzo ovviamente... il tempo di salita è uno strumento importante per stimare o comprendere alcuni aspetti dell'integrità del segnale e dell'EMI/EMC. Questo include:

• Stimare la magnitudine del crosstalk
• Comprendere la risoluzione di spazio e impedenza delle misurazioni TDR
• Comprendere le specifiche della capacità di carico del test 
• Identificare le fonti di EMI
• Predire la larghezza di banda minima dell'oscilloscopio necessaria per misurare accuratamente un segnale

La lista sopra specifica solo come il tempo di salita influisce sull'integrità del segnale e sulle misurazioni, non su un compito di progettazione effettivo. In realtà, ci sono sorprendentemente poche situazioni in cui il tempo di salita del segnale deve essere effettivamente utilizzato direttamente come aiuto per progettare una linea di trasmissione per un PCB ad alta velocità. Queste si riducono a due casi:

• Abbinamento del ritardo temporale in coppie differenziali
• Abbinamento dell'impedenza in serie o in parallelo di bus senza una specifica di impedenza

Il primo caso è molto semplice e non richiede molto più di una stima del tempo di salita, che può essere presa da un datasheet per una data capacità di carico di prova. Il secondo caso si applica solo a poche situazioni, come GPIO veloci, SPI/QSPI/PPI o alcune logiche speciali. Questo sarebbe basato interamente su un'analisi della lunghezza critica.

La Conclusione

In sintesi, la maggior parte delle discussioni sulla larghezza di banda del "tempo di salita" in relazione al segnale discute spesso la risposta di qualcosa guidato da una funzione a gradino, non la larghezza di banda infinita di un segnale digitale. Per i progettisti ad alta velocità, la conclusione qui è molto semplice: poiché utilizziamo questo concetto di larghezza di banda del canale per valutare la progettazione di una linea di trasmissione, sarà necessario verificare l'integrità del segnale in tutta la larghezza di banda del canale. L'uso del tempo di salita non consente questo importante approccio.

Questo non significa che le simulazioni basate sul tempo di salita non siano utili, solo che non catturano l'intero quadro del comportamento del canale. Ho menzionato sopra i diagrammi oculari, ma ci sono altri due casi importanti in cui le simulazioni basate sul tempo di salita sono utili:  

• Simulazioni di riflettometria nel dominio del tempo (TDR)
• Valutazione della causalità del modello nel dominio temporale

Ho discusso di causalità in un altro articolo. In un futuro articolo, esaminerò come comprendere e utilizzare una traccia TDR come parte del design di PCB ad alta velocità e dell'integrità del segnale.

Per ora, il mio consiglio ai progettisti è semplice: il concetto di tempo di salita come strumento per comprendere la necessità di abbinamento dell'impedenza è applicabile solo su poche interfacce single-ended veloci. Tutti gli altri casi che coinvolgono coppie differenziali controllate per impedenza non utilizzano affatto un concetto di tempo di salita, eccetto per comprendere il tuning del ritardo/abbinamento della lunghezza. Per questi canali differenziali seriali più veloci, progettate sempre rispetto all'impedenza target e capite come qualificare i canali utilizzando la larghezza di banda come metrica guida.

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