Szerokość kanału: Prawidłowy sposób kwalifikacji szybkich połączeń międzypłytowych PCB

Jeśli czytasz wytyczne dotyczące projektowania PCB o wysokiej prędkości od producentów półprzewodników i osób niebędących ekspertami, zawsze mówią o wykorzystaniu czasu narastania do analizy integralności sygnału. Czas narastania sygnału jest ważny, ponieważ określa takie rzeczy jak EMI, przeplot i tolerancje strojenia opóźnień. Jeśli twoja konstrukcja działa z prędkościami danych rzędu gigabitów na sekundę i szybciej, twój czas narastania zwykle kończy się na strojeniu opóźnień, a wszystkie inne czynniki integralności sygnału są analizowane w dziedzinie częstotliwości.

Profesjonalni projektanci myślą w kategoriach prostej metryki: pasmo przenoszenia. Kiedykolwiek wspomina się o paśmie przenoszenia, początkujący projektanci natychmiast przywołują częstotliwość kolana jako miarę pasma sygnału. To jest całkowicie błędne. Wszystkie sygnały cyfrowe mają nieskończone pasmo przenoszenia, nawet po tłumieniu przez fizyczną linię transmisyjną.

Ale projektując przy wielu Gb/s, istotne jest pasmo kanału. Innymi słowy, jest to zakres częstotliwości, przez który linia transmisyjna pozwala na silne przesyłanie sygnałów z minimalnym tłumieniem lub odbiciami. Podstawowa znajomość tego, jak pasmo przenoszenia jest określane z parametrów S, jest obowiązkowa dla każdego, kto chce pracować powyżej 1 Gb/s.

Jak określić pasmo przenoszenia

Pasmo można określić na podstawie pomiaru zakresu częstotliwości. Wszystkie interfejsy cyfrowe mają wymagania dotyczące pasma, co oznacza, że fizyczny kanał łączący nadajnik i odbiornik musi przepuszczać pewną ilość pasma w określonym zakresie częstotliwości (od DC do pewnej maksymalnej częstotliwości). Innymi słowy, specyfikację pasma można opisać następująco:

• Fizyczny kanał nie może pochłaniać ani odbijać zbyt dużej mocy w zakresie częstotliwości od DC do pewnej maksymalnej częstotliwości.

Możemy zweryfikować, czy fizyczny kanał (tj. linia transmisyjna) zapewnia wystarczające pasmo, patrząc na wykres parametrów S. Istnieją również inne wykresy parametrów, które moglibyśmy wykorzystać, takie jak funkcja przenoszenia czy parametry T, ale najczęściej używa się parametrów S.

Rozważmy wykres strat zwrotnych dla pary różnicowych ślepych przelotek pokazany poniżej, który osiąga swój limit -10 dB przy około 70 GHz. Moglibyśmy powiedzieć, że ten kanał (ślepe przelotki połączone z dopasowanymi różnicowo parami o impedancji 100 omów) ma pasmo 70 GHz.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Podczas analizy wykresu parametrów S lub wykresu funkcji przenoszenia, musimy mieć spójną definicję tego, co określa maksymalną przepustowość kanału. Dla wykresu parametrów S de facto limit przepustowości to najniższa częstotliwość, przy której straty zwrotne osiągają wartość do -10 dB. W podanym wyżej przykładzie linia transmisyjna byłaby w stanie zapewnić przepustowość 23 GHz na podstawie spektrum strat zwrotnych.

To nie jest uniwersalny standard, i należy zauważyć, że różne interfejsy będą miały różne wymagania dla linii transmisyjnej używanej do transportu sygnału. Na przykład, w pewnych badaniach grupy roboczej 802.3 nad sygnalizacją 224G PAM-4, limit przepustowości jest definiowany przy stratach zwrotnych -15 dB, a nie -10 dB.

Jak przepustowość kanału jest związana z szybkością transmisji danych?

Chociaż prawdą jest, że ogólnie nie klasyfikujemy interfejsów cyfrowych jako wysokiej prędkości wyłącznie na podstawie ich szybkości transmisji danych, przepustowość kanału ma związek z szybkością danych, jaką kanał może przesyłać między dwoma komponentami. Maksymalna szybkość danych, jaką kanał może przesyłać, jest związana z przepustowością kanału przez wzór Nyquista. Ten wzór nie ma takiego samego znaczenia, jakie ma w przypadku stosowania do ADC; ma inne znaczenie, gdy omawiamy komunikację danych cyfrowych przez fizyczny kanał.

Związek między przepustowością a szybkością danych opiera się na liczbie dostępnych poziomów logicznych dla interfejsu podczas każdego cyklu zegara. Ten wzór to:  

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

W tym wzorze zakładamy, że czas narastania jest nieskończenie szybki i że przepustowość jest definiowana jako twardy limit przy częstotliwości granicznej przepustowości. W teorii oznaczałoby to, że integralność sygnału dla danych cyfrowych mogłaby być przewidywana tylko za pomocą wykresu strat zwrotnych, ale w praktyce nie jest to prawda. Ponieważ straty są funkcjami częstotliwości i powoli degradują sygnał podczas propagacji, musimy zbadać zachowanie sygnału na końcu linii transmisyjnej.

Dlatego używamy diagramu oka do wizualizacji sygnałów na odbiorniku. Szybkość narastania i szum na każdym poziomie logicznym w diagramie oka będą określać wskaźnik błędów bitowych (BER). Dopóki wskaźnik błędów bitowych jest wystarczająco niski, kanał może być uznany za przekazujący wystarczającą moc sygnału przez całe jego pasmo, aby interfejs mógł poprawnie funkcjonować.

Czy w ogóle obchodzi nas pasmo sygnału?

Odpowiedź brzmi tak i nie. Technicznie rzecz biorąc, pasmo sygnału jest nieskończone, więc niezależnie od tego, co robisz, twoje cyfrowe I/O zawsze próbuje generować częstotliwości rozciągające się do nieskończoności. Gdy sygnał propaguje przez kanał, ta moc jest tracona z większym tłumieniem na wyższych częstotliwościach. To, co wychodzi z kanału i wchodzi w interakcję z odbiornikiem, to nadal sygnał o nieskończonym paśmie, ale zawartość wysokich częstotliwości jest redukowana z powodu strat dielektrycznych, strat miedziowych i strat promieniowania.

Mając to na uwadze, spójrzmy na kompletną listę kroków opisujących, co dzieje się, gdy sygnał zaczyna się na nadajniku i dociera do odbiornika.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

1. Sygnał jest wprowadzany przez wyjściowy pin do fizycznego kanału, a napięcie rośnie. W tym momencie czas narastania jest najszybszy, jak może być.
2. Sygnał zaczyna przemieszczać się wzdłuż linii transmisyjnej. Podczas podróży moc na wysokich częstotliwościach jest tłumiona, co redukuje szybkość narastania zbocza.
3. Sygnał dociera do odbiornika, a część mocy powyżej pasma odbiornika zostaje odbita. Sygnał wchodzi w interakcję z wejściem odbiornika i osiąga swoje ostateczne napięcie.

Ponieważ straty redukują zawartość sygnału o wysokiej częstotliwości, szybkość narastania zbocza zwalnia podczas propagacji.Przeczytaj ten powiązany artykuł dla ekstremalnego przykładu degradacji szybkości narastania zbocza.

Ponieważ zawsze definiujemy PCB o wysokiej prędkości przez czas narastania, a z powodu zbyt ogólnych formuł, takich jak formuła częstotliwości kolanowej, tworzy się percepcję, że musimy jakoś używać pasma sygnału do projektowania rzeczy w kanale. Najczęstszym przypadkiem jest użycie czasu narastania sygnału do obliczenia krytycznej długości, co jest bezcelowym ćwiczeniem i wymówką, by nie obliczać impedancji ścieżki. Problem z tym jest bardzo prosty: w długiej linii transmisyjnej, czas narastania sygnału nie ma żadnego związku z częstotliwością kolanową odbiornika, ponieważ sygnał nie dotarł jeszcze do wejściowego pinu odbiornika! Dlatego koncepcje takie jak czas narastania i częstotliwość kolanowa nie powinny odgrywać żadnej roli w projektowaniu PCB o wysokiej prędkości z kanałami o Gbps lub wyższymi.

Czas narastania - do czego jest dobry?

Absolutnie do niczego!

Oczywiście żartuję... czas narastania to ważne narzędzie do szacowania lub zrozumienia niektórych aspektów integralności sygnału oraz EMI/EMC. Obejmuje to:

• Szacowanie wielkości przeplotu
• Zrozumienie rozdzielczości przestrzeni i impedancji pomiarów TDR
• Zrozumieniespecyfikacji pojemności obciążenia testowego
• Identyfikowanie źródeł EMI
• Przewidywanieminimalnej szerokości pasma oscyloskopupotrzebnej do dokładnego pomiaru sygnału

Powyższa lista określa tylko, jak czas narastania wpływa na integralność sygnału i pomiary, a nie na rzeczywiste zadanie projektowe. W rzeczywistości jest zaskakująco mało sytuacji, w których czas narastania sygnału musi być faktycznie bezpośrednio używany jako pomoc przy projektowaniu linii transmisyjnej dla szybkiej PCB. Sprowadza się to do dwóch przypadków:

• Dopasowanie opóźnienia czasowego w parach różnicowych
• Dopasowanie impedancji szeregowej lub równoległej magistrali bez specyfikacji impedancji

Pierwszy przypadek jest bardzo prosty i nie wymaga niczego więcej niż oszacowania czasu narastania, który można uzyskać z karty katalogowej dla danej pojemności obciążenia testowego. Drugi przypadek dotyczy tylko bardzo nielicznych sytuacji, takich jak szybkie GPIO, SPI/QSPI/PPI lub niektóre specjalistyczne logiki. To byłoby całkowicie oparte na analizie krytycznej długości.

Podsumowanie

Podsumowując, większość dyskusji na temat "czasu narastania" pasma w odniesieniu do sygnału często dotyczy odpowiedzi na coś, co jest napędzane funkcją skokową, a nie nieskończoną szerokością pasma sygnału cyfrowego. Dla projektantów wysokich prędkości wniosek jest bardzo prosty: ponieważ używamy tej koncepcji pasma kanału do oceny projektu linii transmisyjnej, musisz zweryfikować integralność sygnału na całej szerokości pasma kanału. Użycie czasu narastania nie umożliwia tego ważnego podejścia.

To nie znaczy, że symulacje oparte na czasie narastania nie są przydatne, tylko że nie oddają pełnego obrazu zachowania kanału. Wspomniałem powyżej o diagramach oka, ale są dwie inne ważne sytuacje, w których symulacje oparte na czasie narastania są przydatne:  

• Symulacje reflektometrii czasu domenowego (TDR)
• Ocena przyczynowości modelu w dziedzinie czasu

Omawiałem kwestię przyczynowości w innym artykule. W przyszłym artykule przyjrzę się, jak zrozumieć i używać śladu TDR jako części projektowania PCB wysokiej prędkości i integralności sygnału.

Na razie moja rada dla projektantów jest prosta: koncepcja czasu narastania jako narzędzie do zrozumienia potrzeby dopasowania impedancji ma zastosowanie tylko w kilku szybkich interfejsach jednokierunkowych. Wszystkie inne przypadki związane z kontrolowanymi parami różnicowymi nie używają w ogóle koncepcji czasu narastania, poza zrozumieniem strojenia opóźnień/dopasowania długości. Dla tych szybszych kanałów różnicowych zawsze projektuj zgodnie z docelową impedancją i zrozum, jak kwalifikować kanały, używając pasma jako swojego wiodącego wskaźnika.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe z Altium Designer na Altium 365. Rozpocznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś

.