Ширина канала: Правильный способ квалификации высокоскоростных межсоединений на печатных платах

Если вы читаете руководства по проектированию высокоскоростных печатных плат от производителей полупроводников и неспециалистов, они всегда говорят об использовании времени нарастания сигнала для анализа целостности сигнала. Время нарастания сигнала важно, поскольку оно определяет такие вещи, как электромагнитные помехи, перекрестные помехи и допуски настройки задержек. Если ваша конструкция работает на скоростях передачи данных в гигабиты в секунду и выше, ваше время нарастания обычно заканчивается настройкой задержек, а все остальные факторы целостности сигнала анализируются в частотной области.

Профессиональные дизайнеры думают в терминах простой метрики: полоса пропускания. Когда упоминается полоса пропускания, начинающие дизайнеры сразу же приводят частоту изгиба как меру полосы пропускания сигнала. Это полностью неверно. Все цифровые сигналы имеют бесконечную полосу пропускания, даже после ослабления физической линией передачи.

Но при проектировании на многогигабитных скоростях актуальной является полоса пропускания канала. Другими словами, это диапазон частот, через который линия передачи позволяет сильную передачу сигналов с минимальным ослаблением или отражениями. Базовое понимание того, как полоса пропускания определяется из S-параметров, обязательно для всех, кто хочет работать на скоростях свыше 1 Гбит/с.

Как Количественно Определить Полосу Пропускания

Пропускная способность может быть определена измерением диапазона частот. Все цифровые интерфейсы имеют требования к пропускной способности, что означает, что физический канал, соединяющий передатчик и приемник, должен пропускать определенный объем пропускной способности в определенном диапазоне частот (от постоянного тока до некоторой максимальной частоты). Другими словами, спецификация пропускной способности может быть описана следующим образом:

• Физический канал не должен поглощать или отражать слишком много мощности в диапазоне частот от постоянного тока до некоторой максимальной частоты.

Мы можем проверить, что физический канал (т.е. линия передачи) обеспечивает достаточную пропускную способность, посмотрев на график параметра S. Существуют и другие графики параметров, которые мы могли бы использовать, такие как функция передачи или параметры T, но наиболее распространенным является использование параметров S.

Рассмотрим график потерь на возврате для пары дифференциальных слепых переходных отверстий ниже, который поднимается до своего предела в -10 дБ примерно на 70 ГГц. Мы могли бы сказать, что этот канал (слепые переходные отверстия, соединенные с дифференциальными парами с согласованным импедансом 100 Ом) имеет пропускную способность 70 ГГц.

Конструирование высокоскоростных печатных плат

Простые решения для сложных задач проектирования высокоскоростных печатных плат

Изучите предлагаемые решения

При рассмотрении графика параметров рассеяния или графика передаточной функции необходимо иметь единое определение того, что определяет максимальную полосу пропускания канала. Для графика параметров рассеяния де-факто пределом полосы пропускания является наименьшая частота, на которой потери на обратном ходе достигают -10 дБ. В приведенном выше примере линия передачи могла бы обеспечить полосу пропускания 23 ГГц на основе спектра потерь на обратном ходе.

Это не универсальный стандарт, и следует отметить, что разные интерфейсы будут иметь разные требования к линии передачи, используемой для транспортировки сигнала. Например, в некоторых исследованиях рабочей группы 802.3 по сигнализации 224G PAM-4 предел полосы пропускания определяется при потерях на обратном ходе -15 дБ, а не -10 дБ.

Как связана полоса пропускания канала с скоростью передачи данных?

Хотя и верно, что мы обычно не классифицируем цифровые интерфейсы как высокоскоростные исключительно на основе их скорости передачи данных, ширина канала действительно связана со скоростью передачи данных, которую канал может обеспечить между двумя компонентами. Максимальная скорость передачи данных, которую канал может передать, связана с шириной полосы канала по формуле Найквиста. Эта формула не имеет такого же значения, как при ее применении к АЦП; она имеет другое значение при обсуждении передачи цифровых данных через физический канал.

Связь между шириной полосы и скоростью передачи данных основана на количестве логических уровней, доступных интерфейсу в каждом тактовом цикле. Эта формула:  

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

В этой формуле мы предполагаем, что время нарастания сигнала бесконечно быстрое и что ширина полосы определяется как жесткое ограничение на частоте предела полосы пропускания. В теории это означало бы, что целостность сигнала для цифровых данных могла бы быть предсказана только по графику возврата потерь, но на практике это не так. Поскольку потери являются функциями частоты и медленно ухудшают сигнал во время распространения, нам необходимо изучить поведение сигнала на приемном конце линии передачи.

Вот почему мы используем диаграмму глаза для визуализации сигналов на приемнике. Скорость перехода и шум на каждом логическом уровне в диаграмме глаза будут определять скорость битовых ошибок (BER). До тех пор, пока скорость битовых ошибок достаточно низка, канал можно считать передающим достаточно мощности сигнала по всей его полосе пропускания для корректной работы интерфейса.

Действительно ли нам важна полоса пропускания сигнала?

Ответ и да, и нет. Технически полоса пропускания сигнала бесконечна, так что независимо от ваших действий, ваш цифровой ввод/вывод всегда пытается генерировать частоты, распространяющиеся до бесконечности. По мере распространения сигнала через канал, эта мощность теряется с большим ослаблением на более высоких частотах. То, что выходит из канала и взаимодействует с приемником, все еще является сигналом с бесконечной полосой пропускания, но содержание высоких частот снижается из-за диэлектрических потерь, потерь в меди и излучательных потерь.

Исходя из этого, давайте рассмотрим полный список шагов, описывающих, что происходит, когда сигнал отправляется от передатчика и достигает приемника.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

1. Сигнал подается через выходной контакт в физический канал, и напряжение повышается. На этом этапе время нарастания является максимально возможным.
2. Сигнал начинает передвигаться по линии передачи. Во время передачи мощность на высоких частотах ослабляется, что снижает скорость нарастания фронта.
3. Сигнал достигает приемника, и часть мощности выше полосы пропускания приемника отражается. Сигнал взаимодействует с входом приемника и достигает своего конечного напряжения.

Поскольку потери уменьшают высокочастотный состав сигнала, скорость нарастания фронта замедляется во время распространения.Прочтите эту связанную статью для экстремального примера деградации скорости нарастания фронта.

Поскольку мы всегда определяем высокоскоростные печатные платы по времени нарастания, и из-за обобщенных формул, таких как формула частоты колена, создается впечатление, что нам нужно как-то использовать полосу пропускания сигнала для проектирования вещей в канале. Наиболее распространенный пример - использование времени нарастания сигнала для расчета критической длины, что является бессмысленным упражнением и отговоркой, чтобы не рассчитывать импеданс трассы. Проблема здесь очень проста: на длинной линии передачи время нарастания сигнала не имеет отношения к частоте колена приемника, потому что сигнал еще не достиг входного контакта приемника! Поэтому такие понятия, как время нарастания и частота колена, не должны играть никакой роли в проектировании высокоскоростной печатной платы с каналами Gbps или выше.

Время нарастания - для чего оно нужно?

Абсолютно ни для чего!

Шучу, конечно... время нарастания - это важный инструмент для оценки или понимания некоторых аспектов целостности сигнала и ЭМИ/ЭМС. Это включает в себя:

• Оценку величины перекрестных помех
• Понимание разрешения по пространству и импедансу измерений TDR
• Пониманиеспецификаций емкости тестовой нагрузки
• Выявление источников ЭМИ
• Прогнозированиеминимальной полосы пропускания осциллографа, необходимой для точного измерения сигнала

Вышеуказанный список только указывает, как время нарастания влияет на целостность сигнала и измерения, а не на фактическую задачу проектирования. На самом деле, существует удивительно мало ситуаций, когда время нарастания сигнала действительно нужно использовать непосредственно в качестве помощи при проектировании линии передачи для высокоскоростной печатной платы. Это сводится к двум случаям:

• Согласование временной задержки в дифференциальных парах
• Согласование импеданса последовательно или параллельно в шинах без спецификации импеданса

Первый случай очень прост и не требует большего, чем оценка времени нарастания, которую можно взять из технического описания для заданной емкости нагрузки. Второй случай применим лишь в немногих ситуациях, таких как быстрые GPIO, SPI/QSPI/PPI или некоторая специализированная логика. Это будет полностью основано на анализе критической длины.

Вывод

В итоге, большинство обсуждений "времени нарастания" полосы пропускания в отношении сигнала часто касаются реакции на что-то, управляемое ступенчатой функцией, а не бесконечной полосы пропускания цифрового сигнала. Для разработчиков высокоскоростных устройств вывод здесь очень прост: поскольку мы используем эту концепцию полосы пропускания канала для оценки проектирования линии передачи, вам нужно будет проверить целостность сигнала на всей полосе пропускания канала. Использование времени нарастания не позволяет реализовать этот важный подход.

Это не значит, что симуляции на основе времени нарастания бесполезны, просто они не отражают полную картину поведения канала. Я упоминал диаграммы глаза выше, но есть два других важных случая, когда симуляции на основе времени нарастания полезны:  

• Симуляции временной доменной рефлектометрии (TDR)
• Оценка причинности модели во временном домене

Я обсуждал причинно-следственные связи в другой статье. В будущей статье я рассмотрю, как понимать и использовать трассировку TDR в рамках проектирования высокоскоростных печатных плат и целостности сигнала.

На данный момент мой совет дизайнерам прост: концепция времени нарастания как инструмент для понимания необходимости согласования импеданса применима только к некоторым быстрым однопроводным интерфейсам. Во всех других случаях, касающихся дифференциальных пар с контролируемым импедансом, концепция времени нарастания вообще не используется, за исключением понимания настройки задержек/согласования длин. Для этих более быстрых последовательных дифференциальных каналов всегда проектируйте с учетом целевого импеданса и понимайте, как квалифицировать каналы, используя полосу пропускания в качестве руководящего показателя.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.