Qual è l'intervallo di frequenza e la larghezza di banda dei segnali ad alta velocità?

Ritorna alle tue lezioni universitarie di matematica e ricorda gli spettri di Fourier; questo concetto ti dice che i segnali digitali possono essere rappresentati come una somma infinita di frequenze, con la rappresentazione che normalmente inizia alla frequenza di clock. Da qui, le definizioni di larghezza di banda del segnale iniziano a diventare molto confuse, con molte definizioni arbitrarie applicate per definire i limiti di frequenza su un segnale digitale.

In realtà, un segnale digitale non è un'onda quadra perfetta e può solo essere approssimato dalla frequenza di Fourier di un'onda quadra perfetta. Inoltre, gran parte di ciò che si fa nella progettazione di PCB ad alta velocità implica la progettazione di una larghezza di banda del canale per accomodare una certa larghezza di banda del segnale, anche se molti supposti esperti nella progettazione di PCB ad alta velocità non sanno in realtà che stanno facendo questo.

Per chiarire questi punti, il mio obiettivo in questa guida è spiegare cos'è la larghezza di banda di un segnale digitale e come i progettisti dovrebbero concentrarsi sulla larghezza di banda del canale invece di essere preoccupati con la larghezza di banda del segnale.

Larghezza di Banda del Canale Versus Larghezza di Banda del Segnale

Quando parliamo della gamma di frequenze di un segnale ad alta velocità, il parametro importante è la potenza concentrata a diverse frequenze. In teoria, la gamma di frequenze di un segnale ad alta velocità si estende all'infinito, ma il tuo software di progettazione PCB deve utilizzare un limite superiore per determinare la larghezza di banda appropriata di un segnale digitale ad alta velocità. Esistono diversi modi per definire la gamma di frequenze:

• Utilizzando la frequenza di ginocchio, o circa il 35% dell'inverso del tempo di salita
• In termini dell'armonica fondamentale quinta del segnale
• Come la frequenza di Nyquist del ricevitore

La risposta corretta è "nessuna delle precedenti".

In un recente sondaggio su LinkedIn, uno dei miei contatti ha chiesto alla community qual è la larghezza di banda di un segnale digitale. Invariabilmente, quasi ogni persona che ha risposto ha fatto riferimento alla frequenza di ginocchio, che è definita come segue.

La frequenza di ginocchio è una misura errata della gamma di frequenze di un segnale ad alta velocità

Questa formula rappresenta un valore errato per la larghezza di banda del segnale digitale poiché non ha nulla a che fare con la larghezza di banda del segnale che proviene da un driver ad alta velocità. La frequenza di ginocchio è una misura della larghezza di banda in un circuito RC prima che si verifichi l'azione di filtraggio passa-basso, dove il tempo di salita dal 10% al 90% è definito dalla costante di tempo RC. Questa costante di tempo RC può essere considerevolmente diversa rispetto al segnale proveniente da un driver ad alta velocità.

Poiché la frequenza di ginocchio si basa su una misurazione del tempo di salita per un circuito capacitivo, è, in realtà, una larghezza di banda del canale. Si applica solo quando il canale è infinitamente corto. I canali reali in un PCB ad alta velocità potrebbero non comportarsi in questo modo. Più veloce è il circuito buffer nel driver digitale, meno probabile è che la frequenza di ginocchio sia valida.

In realtà, i segnali digitali hanno una larghezza di banda infinita anche quando hanno un tempo di salita finito. Lo spettro di potenza di un segnale digitale è dato da un insieme di armoniche con un involucro di ampiezza della funzione sinc, con interruzioni periodiche che sono una funzione del tempo di salita e del tasso di ripetizione.

Armoniche in un segnale digitale con un involucro di funzione sinc che definisce l'ampiezza. Si noti che ciò causa ad alcune armoniche di avere potenza zero.

Non importa cosa, il driver digitale in un canale ad alta velocità cercherà sempre di generare un segnale con banda illimitata. Tuttavia, il canale che trasporta il segnale al ricevitore creerà delle perdite che limiteranno la banda. Il tuo compito nella progettazione di PCB ad alta velocità e nella progettazione di PCB RF è quello di progettare canali (ovvero linee di trasmissione) che forniscano una certa quantità minima di banda in modo che possa passare abbastanza segnale al ricevitore, e che il ricevitore possa poi recuperare informazioni utili dal segnale.

Cosa Limita la Banda del Canale?

C'è una cosa che limita la banda del canale: le perdite. Tutti i meccanismi di perdita in un canale ad alta frequenza servono a limitare la banda del segnale quando questo raggiunge il ricevitore. Quindi, in un PCB, quali sono questi meccanismi di perdita che il progettista può tentare di controllare? Questi sono la perdita di ritorno, la perdita di inserzione e la conversione di modo (per le coppie differenziali). Qualsiasi meccanismo di perdita che rientra in queste due categorie può limitare la capacità del canale di trasferire potenza a un ricevitore.

Nel design dei PCB, tutti i canali limiteranno la larghezza di banda del segnale; è solo una questione di quanto la larghezza di banda di un segnale diventa limitata a causa della larghezza di banda del canale. Oltre a conoscere i tipi di perdita e i vari meccanismi di perdita, è importante conoscere i vari elementi in un PCB che contribuiscono a queste perdite.

Per quantificare la larghezza di banda, abbiamo alcuni strumenti disponibili che aiuteranno a determinare quali meccanismi di perdita sono eccessivi; ciò comporta l'uso di simulazioni e misurazioni dei parametri S. Ogni volta che i risultati dei parametri S indicano che c'è una limitazione della larghezza di banda (attraverso alta perdita di ritorno, perdita di inserzione e conversione di modo), è compito del progettista trovare gli elementi che limitano la larghezza di banda nel canale e modificare il design.

Risolvere i canali con larghezza di banda limitata (troppa perdita)

Dalla prospettiva della limitazione della larghezza di banda a causa di perdite eccessive, riparare un canale con larghezza di banda limitata richiede di determinare se le perdite del canale sono dominate da riflessioni o da perdite di inserzione. Questo può essere determinato da una misurazione della riflettometria nel dominio del tempo (TDR).

Quando la misurazione TDR mostra riflessioni significative, queste dovrebbero essere ridotte al minimo se si determina che la perdita di ritorno è eccessiva rispetto al requisito di larghezza di banda del canale. Un esempio dal nostro recente intervista nel podcast Altium OnTrack con Yuriy Shlepnev è mostrato di seguito; guarda l'episodio completo qui.

Misurazione TDR simulata da Simbeor.

Basandosi sulla coordinata temporale nel grafico TDR, è possibile determinare la discontinuità di impedenza in ogni punto lungo una traccia e modificare il canale come necessario per garantire una riflessione minima. In altri casi, dove c'è poca riflessione ma perdite eccessive, potrebbe essere necessario un materiale a minor perdita o un percorso più corto.

Nel caso di coppie differenziali, la terza possibile forma di perdita, la conversione di modo, può essere determinata da un grafico degli S-parametri in modo misto. Questo mostrerà la conversione della potenza differenziale in potenza in modo comune, che sarebbe poi soppressa dal ricevitore differenziale. Per saperne di più, leggi la nostra guida sulla conversione di modo nelle coppie differenziali.

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