Каков диапазон частот и полоса пропускания высокоскоростных сигналов?

Вспомните университетские курсы математики и вспомните спектры Фурье; этот концепт говорит о том, что цифровые сигналы могут быть представлены как бесконечная сумма частот, причем представление обычно начинается с частоты тактирования. Отсюда начинаются размытые определения ширины полосы сигнала, когда множество произвольных определений применяется для определения пределов частоты цифрового сигнала.

На самом деле, цифровой сигнал не является идеальной прямоугольной волной и может быть только приближен к частоте Фурье идеальной прямоугольной волны. Кроме того, многое из того, что делается в дизайне высокоскоростных печатных плат, включает в себя проектирование полосы пропускания канала для размещения определенной полосы пропускания сигнала, хотя многие предполагаемые эксперты по дизайну высокоскоростных печатных плат на самом деле не знают, что они это делают.

Чтобы прояснить эти моменты, моя цель в этом руководстве - объяснить, что такое полоса пропускания цифрового сигнала и как дизайнерам следует сосредоточиться на полосе пропускания канала, вместо того чтобы зацикливаться на полосе пропускания сигнала.

Полоса пропускания канала против полосы пропускания сигнала

Когда мы говорим о диапазоне частот высокоскоростного сигнала, важным параметром является мощность, сосредоточенная на разных частотах. В теории диапазон частот высокоскоростного сигнала простирается до бесконечности, но программному обеспечению для проектирования печатных плат необходимо использовать некоторый верхний предел для определения соответствующей полосы пропускания высокоскоростного цифрового сигнала. Существует несколько способов определения диапазона частот:

• Использование частоты изгиба, или около 35% от обратного значения времени нарастания
• В терминах 5-й основной гармоники сигнала
• Как найквистовская частота приемника

Правильный ответ - "ни один из выше перечисленных".

В недавнем опросе на LinkedIn один из моих контактов спросил сообщество, какова полоса пропускания цифрового сигнала. Почти каждый, кто ответил, упомянул частоту изгиба, которая определяется следующим образом.

Частота изгиба является неправильной мерой диапазона частот высокоскоростного сигнала

Эта формула является некорректным значением для полосы пропускания цифрового сигнала, поскольку она не имеет никакого отношения к полосе пропускания сигнала, исходящего от высокоскоростного драйвера. Частота изгиба является мерой полосы пропускания в RC-цепи до наступления действия фильтра нижних частот, где время нарастания с 10% до 90% определяется постоянной времени RC. Эта постоянная времени RC может существенно отличаться от сигнала, исходящего от высокоскоростного драйвера.

Поскольку частота изгиба основана на измерении времени нарастания для емкостной цепи, она, на самом деле, является полосой пропускания канала. Это применимо только тогда, когда канал бесконечно короткий. Реальные каналы на высокоскоростной печатной плате могут вести себя не так. Чем быстрее схема буфера в цифровом драйвере, тем меньше вероятность того, что частота изгиба будет действительной.

На самом деле, цифровые сигналы имеют бесконечную полосу пропускания, даже если у них есть конечное время нарастания. Спектр мощности цифрового сигнала задается набором гармоник с амплитудной огибающей в виде функции sinc, при этом периодические пропадания являются функцией времени нарастания и частоты повторения.

Гармоники в цифровом сигнале с огибающей амплитуды в виде функции sinc. Обратите внимание, что это приводит к тому, что некоторые гармоники имеют нулевую мощность.

Независимо от обстоятельств, цифровой драйвер в высокоскоростном канале всегда будет пытаться источать сигнал с бесконечной полосой пропускания. Однако канал, который передает сигнал на приемник, создаст потери, ограничивающие полосу пропускания. Ваша задача при проектировании печатных плат высокой скорости и РЧ печатных плат заключается в том, чтобы разрабатывать каналы (т.е. линии передачи), которые обеспечивают некоторый минимальный уровень полосы пропускания, так чтобы достаточное количество сигнала могло передаваться на приемник, и приемник, в свою очередь, мог извлекать полезную информацию из сигнала.

Что ограничивает полосу пропускания канала?

Есть одна вещь, которая ограничивает полосу пропускания канала: потери. Все механизмы потерь в канале высокой частоты служат для ограничения полосы пропускания сигнала, когда сигнал достигает приемника. Итак, в печатной плате, какие это механизмы потерь, которые дизайнер может попытаться контролировать? Это потери на отражение, потери на вставке и преобразование режима (для дифференциальных пар). Любой механизм потерь, попадающий в эти две категории, может ограничить способность канала передавать мощность на приемник.

В проектировании печатных плат все каналы будут ограничивать полосу пропускания сигнала; речь идет лишь о степени, в которой полоса пропускания сигнала ограничивается из-за полосы пропускания канала. Помимо знания типов потерь и различных механизмов потерь, важно знать различные элементы на печатной плате, которые способствуют этим потерям.

Для количественной оценки полосы пропускания у нас есть некоторые инструменты, которые помогут определить, какие механизмы потерь являются чрезмерными; это включает использование симуляций и измерений S-параметров. Когда результаты S-параметров указывают на ограничение полосы пропускания (через высокие потери обратного затухания, потери вставки и преобразование режима), задача дизайнера заключается в том, чтобы найти элементы, ограничивающие полосу пропускания в канале, и изменить дизайн.

Исправление каналов с ограниченной полосой пропускания (Слишком большие потери)

С точки зрения ограничения полосы пропускания из-за чрезмерных потерь, исправление канала с ограниченной полосой пропускания требует определения, доминируют ли в канале потери отражения или потери на вставке. Это можно определить с помощью измерения временной области рефлектометрии (TDR).

Когда измерение TDR показывает значительное отражение, то его следует минимизировать, если было определено, что потери отражения чрезмерны в пределах требований к полосе пропускания канала. Пример из нашего недавнего интервью в подкасте Altium OnTrack с Юрием Шлепневым показан ниже; посмотрите полный эпизод здесь.

Симулированное измерение TDR от Simbeor.

Основываясь на временной координате на графике TDR, можно определить несоответствие импеданса в каждой точке вдоль трассы и при необходимости изменить канал, чтобы обеспечить минимальное отражение. В других случаях, когда отражение незначительно, но потери чрезмерны, может потребоваться материал с меньшими потерями или более короткий маршрут.

В случае дифференциальных пар, третья возможная форма потерь, преобразование режима, может быть определена из смешанного S-параметрического графика режима. Это покажет преобразование мощности дифференциального режима в мощность общего режима, которая затем будет подавлена дифференциальным приемником. Чтобы узнать больше, прочтите наше руководство о преобразовании режима в дифференциальных парах.

Вне зависимости 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 удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

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