Băng thông kênh: Cách đúng để đánh giá các kết nối PCB tốc độ cao

Nếu bạn đọc các hướng dẫn thiết kế PCB tốc độ cao từ các nhà sản xuất bán dẫn và những người không phải chuyên gia, họ luôn nói về việc sử dụng thời gian tăng để phân tích tính toàn vẹn của tín hiệu. Thời gian tăng của tín hiệu rất quan trọng, vì nó quyết định những yếu tố như EMI, nhiễu chéo và dung sai điều chỉnh độ trễ. Nếu thiết kế của bạn hoạt động ở tốc độ dữ liệu gigabit mỗi giây trở lên, thời gian tăng của bạn thường kết thúc với việc điều chỉnh độ trễ, và tất cả các yếu tố tính toàn vẹn tín hiệu khác được phân tích trong miền tần số.

Những nhà thiết kế chuyên nghiệp nghĩ về một chỉ số đơn giản: băng thông. Mỗi khi băng thông được nhắc đến, những nhà thiết kế mới vào nghề ngay lập tức đưa ra tần số gối như một biện pháp của băng thông tín hiệu. Điều này hoàn toàn sai. Tất cả các tín hiệu số đều có băng thông vô hạn, ngay cả sau khi bị suy giảm bởi một đường truyền vật lý.

Nhưng khi thiết kế ở tốc độ đa Gbps, băng thông liên quan là băng thông kênh. Nói cách khác, đây là phạm vi tần số mà qua đó một đường truyền cho phép truyền tín hiệu mạnh mẽ với sự suy giảm hoặc phản xạ tối thiểu. Hiểu biết cơ bản về cách xác định băng thông từ các tham số S là bắt buộc đối với bất kỳ ai muốn làm việc vượt quá 1 Gbps.

Cách Định lượng Băng thông

Băng thông có thể được xác định từ việc đo khoảng tần số. Tất cả các giao diện số đều có yêu cầu về băng thông, nghĩa là kênh vật lý kết nối bộ phát và bộ nhận phải chấp nhận một lượng băng thông nhất định trong một phạm vi tần số cụ thể (từ DC đến một tần số tối đa nào đó). Nói cách khác, một thông số kỹ thuật băng thông có thể được mô tả như sau:

• Một kênh vật lý không được hấp thụ hoặc phản xạ quá nhiều năng lượng trong một phạm vi tần số từ DC đến một tần số tối đa nào đó.

Chúng ta có thể xác minh rằng một kênh vật lý (tức là, một đường truyền) cung cấp đủ băng thông bằng cách nhìn vào biểu đồ tham số S. Có những biểu đồ tham số khác mà chúng ta cũng có thể sử dụng, như hàm chuyển đổi hoặc tham số T, nhưng phổ biến nhất là sử dụng tham số S.

Xem xét biểu đồ tổn thất trở lại cho một cặp vias mù chênh lệch dưới đây, nó tăng lên đến giới hạn -10 dB tại khoảng 70 GHz. Chúng ta có thể nói rằng kênh này (vias mù kết nối với cặp chênh lệch có trở kháng khớp 100 Ohms) có băng thông 70 GHz.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Khi xem xét một biểu đồ tham số S hoặc biểu đồ hàm truyền, chúng ta cần có một định nghĩa nhất quán về điều gì xác định băng thông tối đa của một kênh. Đối với biểu đồ tham số S, giới hạn băng thông de facto là tần số thấp nhất nơi mà tổn thất trở lại đạt tới -10 dB. Trong ví dụ biểu đồ ở trên, đường truyền tín hiệu được đề cập sẽ có thể cung cấp 23 GHz băng thông dựa trên phổ tổn thất trở lại.

Đây không phải là một tiêu chuẩn toàn cầu, và người ta nên lưu ý rằng các giao diện khác nhau sẽ có các yêu cầu khác nhau đối với đường truyền tín hiệu được sử dụng để vận chuyển tín hiệu. Ví dụ, trong một số nghiên cứu của nhóm làm việc 802.3 về tín hiệu 224G PAM-4, giới hạn băng thông được định nghĩa ở tổn thất trở lại -15 dB thay vì -10 dB.

Băng thông kênh liên quan như thế nào đến tốc độ dữ liệu?

Trong khi đúng là chúng ta thường không phân loại các giao diện số là tốc độ cao chỉ dựa trên tốc độ dữ liệu của chúng, nhưng băng thông kênh lại liên quan đến tốc độ dữ liệu mà một kênh có thể truyền giữa hai thành phần. Tốc độ dữ liệu tối đa mà một kênh có thể truyền được liên quan đến băng thông của kênh thông qua công thức Nyquist. Công thức này không có cùng một ý nghĩa như khi áp dụng cho ADCs; nó có một ý nghĩa khác khi thảo luận về việc truyền dữ liệu số qua một kênh vật lý.

Mối quan hệ giữa băng thông và tốc độ dữ liệu dựa trên số lượng mức logic có sẵn cho giao diện trong mỗi chu kỳ đồng hồ. Công thức này là:  

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Trong công thức này, chúng ta giả định rằng thời gian tăng là vô cùng nhanh và băng thông được định nghĩa là một giới hạn cứng tại tần số giới hạn băng thông. Lý thuyết, điều này có nghĩa là tính toàn vẹn tín hiệu cho dữ liệu số có thể được dự đoán chỉ bằng cách sử dụng biểu đồ lỗ hồi tỷ, nhưng điều này không đúng trong thực tế. Bởi vì sự mất mát là chức năng của tần số và từ từ làm suy giảm tín hiệu trong quá trình truyền, chúng ta phải xem xét hành vi của tín hiệu tại đầu nhận của đường truyền.

Đây là lý do tại sao chúng ta sử dụng biểu đồ mắt để hình dung các tín hiệu tại bộ thu. Tốc độ biên và nhiễu tại mỗi mức logic trong biểu đồ mắt sẽ xác định tỷ lệ lỗi bit (BER). Miễn là tỷ lệ lỗi bit đủ thấp, kênh có thể được coi là truyền đủ công suất tín hiệu qua băng thông của nó để giao diện hoạt động chính xác.

Chúng Ta Có Quan Tâm Đến Băng Thông Tín Hiệu Không?

Câu trả lời là cả có và không. Băng thông tín hiệu về mặt kỹ thuật là vô hạn, vì vậy không quan trọng bạn làm gì, I/O số của bạn luôn cố gắng tạo ra các tần số kéo dài ra vô hạn. Khi một tín hiệu lan truyền qua kênh, công suất đó bị mất đi với sự suy giảm lớn hơn ở các tần số cao hơn. Những gì đi ra khỏi kênh và tương tác với bộ thu vẫn là một tín hiệu với băng thông vô hạn, nhưng nội dung tần số cao bị giảm do tổn thất điện mô, tổn thất đồng và tổn thất bức xạ.

Với điều đó trong tâm trí, hãy xem xét danh sách đầy đủ các bước chi tiết về những gì xảy ra khi một tín hiệu bắt đầu từ một bộ phát và đạt đến một bộ thu.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

1. Tín hiệu được thả qua chân xuất ra vào kênh vật lý, và điện áp tăng lên. Tại thời điểm này, thời gian tăng là nhanh nhất có thể.
2. Tín hiệu bắt đầu di chuyển dọc theo đường truyền. Trong quá trình di chuyển, công suất ở các tần số cao bị suy giảm, làm giảm tốc độ biên.
3. Tín hiệu đến với bộ thu, và một số công suất cao hơn băng thông của bộ thu bị phản xạ. Tín hiệu tương tác với đầu vào của bộ thu và tăng lên đến điện áp cuối cùng của nó.

Do mất mát làm giảm nội dung tần số cao của tín hiệu, tốc độ biên chậm lại trong quá trình truyền dẫn. Đọc bài viết liên quan này để xem một ví dụ cực đoan về sự suy giảm tốc độ biên.

Vì chúng ta luôn định nghĩa PCB tốc độ cao dựa trên thời gian tăng, và do các công thức quá chung chung như công thức tần số gối, điều này tạo ra một quan niệm rằng chúng ta cần phải sử dụng băng thông tín hiệu để thiết kế các thành phần trong một kênh. Trường hợp phổ biến nhất là việc sử dụng thời gian tăng của tín hiệu để tính toán chiều dài quan trọng, điều này là một bài tập vô ích và là một lý do để không tính toán trở kháng đường dẫn. Vấn đề ở đây rất đơn giản: trong một đường truyền dài, thời gian tăng của tín hiệu không có mối quan hệ nào với tần số gối của bộ thu vì tín hiệu chưa đến chân đầu vào của bộ thu! Do đó, các khái niệm như thời gian tăng và tần số gối không nên đóng vai trò nào trong việc thiết kế một PCB tốc độ cao với các kênh Gbps hoặc cao hơn.

Thời Gian Tăng - Nó Có Ích Gì?

Hoàn toàn không có gì cả!

Tôi đang đùa đấy… thời gian tăng là một công cụ quan trọng để ước lượng hoặc hiểu một số khía cạnh của tính toàn vẹn tín hiệu và EMI/EMC. Điều này bao gồm:

• Ước lượng độ lớn của hiện tượng nhiễu chéo
• Hiểu về không gian và độ phân giải trở kháng của các phép đo TDR
• Hiểu về đặc tính dung kháng của tải thử nghiệm
• Xác định nguồn gốc của EMI
• Dự đoán độ rộng băng thông tối thiểu của oscilloscope cần thiết để đo một tín hiệu một cách chính xác

Danh sách trên chỉ định cách thời gian tăng ảnh hưởng đến tính toàn vẹn tín hiệu và các phép đo, không phải là một nhiệm vụ thiết kế thực tế. Trên thực tế, có khá ít tình huống mà thời gian tăng tín hiệu cần phải được sử dụng trực tiếp như một công cụ hỗ trợ thiết kế đường truyền cho một PCB tốc độ cao. Những tình huống này giảm xuống còn hai trường hợp:

• Phối hợp độ trễ thời gian trong các cặp vi sai
• Phối trở kháng nối tiếp hoặc song song của bus không có thông số trở kháng

Trường hợp đầu tiên rất đơn giản và không yêu cầu nhiều hơn ngoài việc ước lượng thời gian tăng, có thể lấy từ bảng dữ liệu cho một dung lượng tải thử nghiệm cụ thể. Trường hợp thứ hai chỉ áp dụng cho rất ít tình huống, như GPIO nhanh, SPI/QSPI/PPI, hoặc một số logic chuyên biệt. Điều này sẽ dựa hoàn toàn vào phân tích chiều dài quan trọng.

Điều cần nhớ

Tóm lại, hầu hết các cuộc thảo luận về băng thông “thời gian tăng” liên quan đến tín hiệu thường nói về phản ứng của một cái gì đó được kích thích bởi một hàm bước, không phải băng thông vô hạn của một tín hiệu số. Đối với những người thiết kế tốc độ cao, điều cần nhớ ở đây rất đơn giản: vì chúng ta sử dụng khái niệm băng thông kênh để đánh giá thiết kế của một đường truyền, bạn sẽ cần phải xác minh tính toàn vẹn tín hiệu xuyên suốt băng thông kênh. Việc sử dụng thời gian tăng không cho phép tiếp cận quan trọng này.

Điều này không có nghĩa là các mô phỏng dựa trên thời gian tăng không hữu ích, chỉ là chúng không nắm bắt được toàn bộ bức tranh về hành vi kênh. Tôi đã đề cập đến biểu đồ mắt ở trên, nhưng có hai trường hợp quan trọng khác nơi mô phỏng dựa trên thời gian tăng là hữu ích:  

• Mô phỏng phản xạ miền thời gian (TDR)
• Đánh giá nguyên nhân mô hình trong miền thời gian

Tôi đã thảo luận về nguyên nhân và kết quả trong một bài viết khác. Trong một bài viết tương lai, tôi sẽ xem xét cách hiểu và sử dụng dấu vết TDR như một phần của thiết kế PCB tốc độ cao và tính toàn vẹn tín hiệu.

Hiện tại, lời khuyên của tôi cho các nhà thiết kế rất đơn giản: khái niệm thời gian tăng chỉ áp dụng cho một số ít giao diện đơn kết thúc nhanh. Tất cả các trường hợp khác liên quan đến cặp vi sai có kiểm soát trở kháng không sử dụng khái niệm về thời gian tăng chút nào ngoại trừ việc hiểu về điều chỉnh độ trễ/khớp chiều dài. Đối với những kênh vi sai tuần tự nhanh hơn này, luôn thiết kế theo trở kháng mục tiêu và hiểu cách đánh giá các kênh sử dụng băng thông làm chỉ số dẫn dắt của bạn.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer^®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.