Trucchi del mestiere: dispositivi d’integrità del segnale

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

Come avviene con qualsiasi lavoro, anche gli addetti all’integrità del segnale utilizzano strumenti di nicchia. Gli strumenti d’integrità del segnale sono i visualizzatori dei parametri S, i 3D EM solver o le apparecchiature di misurazione. Questi strumenti hanno una cosa in comune: l’analisi. E i dispositivi che gli addetti all’integrità del segnale utilizzano per semplificarsi la vita? In questo articolo parlerò di tre dispositivi che consentono di risparmiare tempo e denaro: cavi di controllo multiporta, commutatori RF e il filtro RC.

Assemblaggi di cavi RF multiporta

Gli standard per le moderne trasmissioni seriali ad alta velocità ci guidano nello sviluppo di canali a 56Gb/s. Per valutare correttamente questi canali, dobbiamo misurare le prestazioni del canale fino ad almeno 28 GHz. A tale frequenza, utilizziamo connettori coassiali da 2.92 mm. Il connettore con montaggio a compressione verticale, ovvero la versione più diffusa per più di un decennio, è costoso e il pin di compressione di questo connettore si sposta nella struttura del connettore durante l’applicazione. Quando il connettore viene rimosso e applicato a un altro circuito, le probabilità che funzioni sono del 50%. I tipici dispositivi di prova per l’integrità del segnale possiedono 32 di questi connettori e noi addetti all’integrità del segnale utilizziamo tantissimi di questi dispositivi! I costi aumentano velocemente e potrebbero rivelarsi estremamente elevati. 

Per fortuna i progressi nella tecnologia del montaggio a compressione hanno eliminato questo problema, poiché esistono oggi assemblaggi di cavi riutilizzabili che fanno da connettori coassiali per montaggio in superficie verticale. L’investimento iniziale in questi assemblaggi è elevato, tuttavia nel corso di un anno questi assemblaggi possono consentire alla vostra azienda di risparmiare centinaia di migliaia di dollari rispetto ai connettori coassiali. Questi assemblaggi di cavi possiedono da 8 a 32 connettori, il che significa che potete utilizzarli con il vostro VNA da 8-32 porte e applicare solo un connettore per ciascuna prova. Inoltre, la densità di segnale è molto più elevata rispetto a ciò che si può ottenere con i connettori coassiali e ciò consente di ottenere progettazioni con perdite ridotte, ricavabili ad alte frequenze. 

Ho due esempi di prodotti che utilizzano la tecnologia di montaggio a compressione. Il primo è il connettore BullsEye di Samtec, mentre il secondo è il terminatore di Ardent Concepts.Multiple rendered images of Samtec BullsEye BE70 connector systems capable of 70GHz of bandwidth. Image courtesy of Samtec, Inc.

Il connettore BullsEye BE70 di Samtec raggiunge un’ampiezza di banda pari a 70GHz Il giusto connettore può fornire un valido aiuto per garantire l’Integrità del segnale. Immagine per gentile concessione di Samtec, Inc.

Commutatori RF a banda larga

I commutatori RF possono essere utilizzati per velocizzare le prove, risparmiare spazio su un PCB oppure risparmiare denaro attraverso l’utilizzo di una minore quantità di connettori coassiali. Esistono due tipi principali di commutatori a banda larga.

Semiconduttori

  • Elettromeccanici

I commutatori elettromeccanici sono disponibili in una vasta gamma di ampiezze di banda e quantità di porte. Le ampiezze di banda variano da 1 GHz a 67 GHz, mentre il commutatore può essere un single-pole-12-throw (SP12T). I poli sono il numero di nodi comuni tra le porte, mentre le corse sono la quantità di posizioni a cui il commutatore può essere collegato. Ciò significa che, collegando i poli di quattro commutatori SP12T a ciascuna porta in un VNA a 4 porte è possibile effettuare 48 misurazioni senza cambiare le connessioni! Tutto ciò è molto efficace, tuttavia ho alcuni avvertimenti da darvi prima che ne acquistiate quattro. 

1. Non tutti i commutatori sono uguali.

I commutatori sono disponibili in due livelli

  • Standard
  • Alta ripetibilità

I commutatori standard sono fantastici quando la fase non è importante. Funzionano alla perfezione con la maggior parte dei SerDes, delle antenne e dei dispositivi a due porte. I commutatori ad alta ripetibilità sono necessari per le misurazioni multimodali. La fase non cambia tra le corse, il che genera misurazioni uniformi e risultati affidabili. 

2. Sono necessarie delle operazioni di assemblaggio.

I commutatori RF sono di fatto dei contenitori da sfruttare al massimo. Sono infatti utilizzati al meglio quando vengono montati su un telaio o rack. La progettazione dei dispositivo di montaggio è abbastanza facile, tuttavia è un’attività aggiuntiva da svolgere. Io ho iniziato creando un telaio di prova per uno studio di fattibilità. Non abbiate quindi paura di tuffarvi e creare qualcosa!

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

Commutatori Radiall SP12T parzialmente caricati e montati su una struttura in plexiglass. Alcuni esperimenti sono necessari per trovare la soluzione migliore per l’Integrità del segnale.

Ecco due siti web di commutatori RF che vi consiglio di visitare!

www.dowkey.com

www.radiall.com

Il commutatore semiconduttore è piccolo e facile da utilizzare. Il circuito di controllo generale è lo stesso del commutatore elettromeccanico, ma il fattore di forma del commutatore semiconduttore si monta direttamente sul PCB. Ciò potrebbe essere positivo o negativo. Se il vostro DUT (Device Under Test) si trova sullo stesso PCB dell’interruttore, potete eliminare molti connettori dalla progettazione con uno o due commutatori. Poiché il circuito si trova già sul PCB, non dovete progettare ulteriori componenti hardware per il montaggio. Un altro vantaggio è rappresentato dal fatto che questi commutatori sono estremamente stabili a livello di fase. Il risultato? Non bisogna preoccuparsi dei problemi di conversione! I tempi di impostazione sono più rapidi e i costi sono ridotti rispetto ai commutatori elettromeccanici. Al contrario, se dovete connettervi dal PCB su cui si trova il commutatore a una posizione con un cavo coassiale, avrete più connettori, costi e perdite. 

I commutatori semiconduttori sono ottimi quando utilizzati per condurre prove sui dispositivi ottici, per i test SerDes e per quelli sui dispositivi RF a volumi elevati. I primi due scenari sono fantastici perché è possibile posizionare un ripetitore dopo il commutatore per ottenere un’ottima integrità del segnale ripetibile nel dispositivo oggetto della prova. Nel terzo scenario, è possibile impostare array di dispositivi da testare durante il posizionamento. 

Forse state pensando che non siano necessari dei commutatori elettromeccanici quando è possibile avere commutatori economici a fase stabile che non necessitano di ulteriore hardware per il montaggio. I due svantaggi dei commutatori semiconduttori, che rendono quelli elettromeccanici più interessanti, sono la perdita di inserimento e i limiti di potenza. I commutatori semiconduttori comportano solitamente la perdita di alcuni dB per canale, mentre la traccia PCB che collega al commutatore aggiunge un’ulteriore perdita. La perdita aggiuntiva limita l’effettiva ampiezza di banda nelle attività di post-elaborazione, come il de-embedding. Inoltre, non è possibile utilizzarli nelle applicazioni con corrente elevata, altrimenti si guasteranno. 

Ecco due link utili per i commutatori semiconduttori!

www.analog.com

www.psemi.com

Circuiti RC per l’equalizzazione

Quando si parla di equalizzazione, probabilmente pensate ai SerDes con schemi di ottimizzazione integrati: cosa succede tuttavia quando si utilizza un canale relativamente semplice e non si ha accesso a questi SerDes di fascia alta? In questi casi, potete sempre utilizzare un filtro RC come equalizzatore. 

Schematic diagram of a parallel RC filter

Esempio di filtro parallelo nei circuiti RC

Questi filtri funzionano bene fino a 10 Gb/s. Sebbene non vi possano aiutare a far funzionare un sistema 112G, rappresentano una soluzione economica nei progetti tradizionali oppure nei segnali di controllo PCIe. L’impendenza di questo elemento è

Z = - j * R / (ω * R * C - j

dove R è il valore della resistenza e C è la capacità del condensatore. Tracciando la portata dell’impendenza è possibile vedere chiaramente come questo sia un filtro passa basso. 

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

Impendenza di un filtro nei circuiti RC: R = 100 Ohm, C = 10e-12 Farad.

Per utilizzare questo filtro, iniziate definendo una velocità dei dati. Ai fini di questo articolo, utilizzerò 10 Gb/s. Trovate ora la perdita alla frequenza Nyquist. In questo caso, la frequenza Nyquist è pari a 5 GHz. Ho creato un esempio di linea di trasmissione con una perdita di 13 dB a 5 GHz. La sua perdita d’inserimento è mostrata qui di seguito.

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

Esempio di linea di trasmissione di un circuito RC con una perdita di 13 dB a 5 GHz.
 

Per calcolare il valore approssimativo della resistenza, utilizzate la seguente equazione.

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

Ritengo che questa equazione equalizzi leggermente in eccesso. Ai fini di questo esempio utilizzerò quindi -10 dB per la perdita e 50 ohm per l’impendenza di sistema; la resistenza risultante è pari a circa 216 ohm. Calcolate ora il valore del condensatore utilizzando la seguente equazione.

C = 1 / (f_Nyquist * R

Diamo ora uno sguardo a ciò che questo comporta per l’eye pattern a 10 Gb/s.

Prima:

Dopo:

Che differenza! Esistono schemi più avanzati per la creazione di questi valori, tuttavia come potete vedere, questo schema funziona abbastanza bene. Esistono soluzioni come questa integrate in un circuito, ma perché pagare di più?

Contattate un esperto di Altium per maggiori informazioni oppure continuate a leggere per saperne di più sugli strumenti d’integrità del segnale per i progettisti PCB con Altium Designer®.

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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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