Qual é a Faixa de Frequência e a Largura de Banda do Sinal de Alta Velocidade?

Volte às suas aulas de matemática da universidade e lembre-se dos espectros de Fourier; este conceito nos diz que os sinais digitais podem ser representados como uma soma infinita de frequências, com a representação normalmente começando na frequência do relógio. A partir daí, as definições de largura de banda do sinal começam a se tornar muito confusas, com muitas definições arbitrárias sendo aplicadas para definir limites de frequência em um sinal digital.

Na realidade, um sinal digital não é uma onda quadrada perfeita e só pode ser aproximado pela frequência de Fourier de uma onda quadrada perfeita. Além disso, muito do que é feito no design de PCB de alta velocidade envolve projetar uma largura de banda do canal para acomodar uma certa largura de banda do sinal, mesmo que muitos supostos especialistas em design de PCB de alta velocidade na verdade não saibam que estão fazendo isso.

Para esclarecer esses pontos, meu objetivo neste guia é explicar o que é a largura de banda de um sinal digital e como os projetistas devem se concentrar na largura de banda do canal em vez de se preocuparem com a largura de banda do sinal.

Largura de Banda do Canal Versus Largura de Banda do Sinal

Quando falamos sobre a faixa de frequência de um sinal de alta velocidade, o parâmetro importante é a potência concentrada em diferentes frequências. Em teoria, a faixa de frequência do sinal de alta velocidade se estende até o infinito, mas seu software de design de PCB precisa usar algum limite superior para determinar a largura de banda apropriada de um sinal digital de alta velocidade. Existem várias maneiras de definir a faixa de frequência:

• Usando a frequência de corte, ou cerca de 35% do inverso do tempo de subida
• Em termos da 5ª harmônica fundamental do sinal
• Como a frequência de Nyquist do receptor

A resposta correta é “nenhuma das anteriores”.

Em uma pesquisa recente no LinkedIn, um dos meus contatos perguntou à comunidade qual é a largura de banda de um sinal digital. Invariavelmente, quase todas as pessoas que responderam referiram-se à frequência de corte, que é definida da seguinte forma.

A frequência de corte é uma medida incorreta da faixa de frequência de sinal de alta velocidade

Esta fórmula é um valor incorreto para a largura de banda do sinal digital porque não tem nada a ver com a largura de banda do sinal que é originado de um driver de alta velocidade. A frequência de corte é uma medida de largura de banda em um circuito RC antes da ação de filtragem passa-baixa ocorrer, onde o tempo de subida de 10% a 90% é definido pela constante de tempo RC. Esta constante de tempo RC pode ser consideravelmente diferente do sinal originado de um driver de alta velocidade.

Porque a frequência de corte é baseada em uma medição do tempo de subida para um circuito capacitivo, ela é, na realidade, uma largura de banda do canal. Ela só se aplica quando o canal é infinitamente curto. Canais reais em uma PCB de alta velocidade podem não se comportar desta maneira. Quanto mais rápido for o circuito buffer no driver digital, menos provável será a validade da frequência de corte.

Na realidade, sinais digitais têm largura de banda infinita mesmo quando têm um tempo de subida finito. O espectro de potência de um sinal digital é dado por um conjunto de harmônicos com uma envoltória de amplitude da função sinc, com interrupções periódicas sendo uma função do tempo de subida e da taxa de repetição.

Harmônicos em um sinal digital com uma envoltória da função sinc definindo a amplitude. Note que isso faz com que alguns harmônicos tenham potência zero.

Não importa o que aconteça, o driver digital em um canal de alta velocidade sempre tentará fornecer um sinal com largura de banda infinita. No entanto, o canal que transporta o sinal até o receptor criará perdas que limitam a largura de banda. Seu trabalho no design de PCB de alta velocidade e design de PCB RF é projetar canais (ou seja, linhas de transmissão) que forneçam uma quantidade mínima de largura de banda para que sinal suficiente possa passar para o receptor, e o receptor possa então recuperar informações úteis do sinal.

O que Limita a Largura de Banda do Canal?

Há uma coisa que limita a largura de banda do canal: as perdas. Todos os mecanismos de perda em um canal de alta frequência servem para limitar a largura de banda do sinal quando o sinal chega ao receptor. Então, em um PCB, quais são esses mecanismos de perda que o designer pode tentar controlar? São eles: perda de retorno, perda de inserção e conversão de modo (para pares diferenciais). Qualquer mecanismo de perda que se enquadre nessas duas categorias pode limitar a capacidade do canal de transferir energia para um receptor.

No design de PCB, todos os canais limitarão a largura de banda do sinal; trata-se apenas de até que ponto a largura de banda de um sinal se torna limitada devido à largura de banda do canal. Além de apenas conhecer os tipos de perda e os vários mecanismos de perda, é importante saber os vários elementos em um PCB que contribuem para essas perdas.

Para quantificar a largura de banda, temos algumas ferramentas disponíveis que ajudarão a determinar quais mecanismos de perda são excessivos; isso envolve o uso de simulações e medições de parâmetros-S. Sempre que os resultados dos parâmetros-S indicarem que há uma limitação de largura de banda (através de alta perda de retorno, perda de inserção e conversão de modo), é trabalho do projetista encontrar os elementos limitantes de largura de banda no canal e modificar o design.

Corrigindo Canais com Largura de Banda Limitada (Excesso de Perda)

Do ponto de vista da limitação de largura de banda devido a perdas excessivas, consertar um canal com largura de banda limitada requer determinar se as perdas do canal são dominadas por reflexão ou por perda de inserção. Isso pode ser determinado a partir de uma medição de reflectometria no domínio do tempo (TDR).

Quando a medição TDR mostra reflexão significativa, então estas devem ser minimizadas se for determinado que a perda de retorno é excessiva dentro do requisito de largura de banda do canal. Um exemplo da nossa recente entrevista no podcast Altium OnTrack com Yuriy Shlepnev é mostrado abaixo; assista ao episódio completo aqui.

Medição TDR simulada de Simbeor.

Com base na coordenada de tempo no gráfico TDR, é possível determinar a descontinuidade de impedância em cada ponto ao longo de um traço e modificar o canal conforme necessário para garantir reflexão mínima. Em outros casos, onde há pouca reflexão mas perda excessiva, um material de menor perda ou uma rota mais curta pode ser necessária.

No caso de pares diferenciais, a terceira possível forma de perda, conversão de modo, pode ser determinada a partir de um gráfico de parâmetros S em modo misto. Isso mostrará a conversão de potência diferencial para potência em modo comum, que então seria suprimida pelo receptor diferencial. Para saber mais, leia nosso guia sobre conversão de modo em pares diferenciais.

Seja para construir eletrônicos de potência confiáveis ou sistemas digitais avançados, utilize o conjunto completo de recursos de design de PCB e ferramentas CAD de classe mundial no Altium Designer^®. Para implementar a colaboração no ambiente interdisciplinar de hoje, empresas inovadoras estão utilizando a plataforma Altium 365^™ para compartilhar facilmente dados de design e colocar projetos em fabricação.

Apenas começamos a explorar o que é possível com o Altium Designer no Altium 365. Comece sua avaliação gratuita do Altium Designer + Altium 365 hoje mesmo.