Leer de grondbeginselen van signaalintegriteit

De opkomst van krachtige datacenters ter ondersteuning van kunstmatige intelligentie (AI) maakt signaalintegriteit (SI) van cruciaal belang, zodat enorme hoeveelheden gegevens met steeds hogere snelheden kunnen worden verplaatst. Om SI te garanderen moeten ontwerpers reflecties, ruis en overspraak minimaliseren door aandacht te besteden aan de layout van de printplaat en het gebruik van geschikte geleiders en connectoren. Ze moeten ook fundamentele principes begrijpen zoals transmissielijnen, impedantie, retourverlies en resonantie.

Dit artikel geeft enkele termen die worden gebruikt in de discussie over SI en waar ontwerpers rekening mee moeten houden. Vervolgens worden voorbeeld kabel- en connectoroplossingen van Amphenol geïntroduceerd om te laten zien hoe deze kunnen zorgen voor ontwerpsucces.

Transmissielijnen

Een transmissielijn bestaat uit twee (of soms drie) geleiders met een lengte die niet gelijk is aan nul, gescheiden door een diëlektricum (Afbeelding 1). Geleiders transporteren elektrische signalen tussen circuitelementen met minimaal verlies of vervorming. Gangbare geleiders zijn metalen zoals koper, die een hoge elektrische geleidbaarheid hebben, een uitstekende transmissie en lage vermogensverliezen tegen relatief lage kosten. Goud is een uitstekende geleider, maar door de hoge kosten is het gebruik ervan beperkt tot toepassingen die een hoge corrosiebestendigheid vereisen, zoals connectorpinnen en contactdozen. Andere metalen en legeringen zijn ontwikkeld voor specifieke toepassingen of materiaaleigenschappen.

Afbeelding 1: Transmissielijnen bestaan uit geleiders gescheiden door een diëlektricum. De geleiders kunnen parallel of concentrisch zijn. (Bron afbeelding: Amphenol)

Diëlektrische materialen zijn niet-geleidende materialen die geleiders scheiden door het gebied rond hun geleidende geometrieën te isoleren. De eigenschappen van de diëlektrica beïnvloeden hoe signalen over de aangrenzende geleiders bewegen.

De diëlektrische constante (Dk) en dissipatiefactor (Df) zijn belangrijke eigenschappen van diëlektrica die van invloed zijn op transmissielijnen. De Dk bepaalt de voortplantingssnelheid van het signaal op de lijn. Een materiaal met een lagere Dk heeft bijvoorbeeld een hogere voortplantingssnelheid. De Df vertegenwoordigt het energieverlies binnen het materiaal terwijl het signaal door de transmissielijn gaat. Een lagere Df wijst op minder signaalverzwakking, vooral bij hoge frequenties.

Gebruikelijke diëlektrica zijn lucht en verschillende kunststoffen. Een typische printplaat (pc-bord) substraat is een diëlektricum genaamd vlamvertragend 4 (FR-4), een composiet van geweven glasvezeldoek geïmpregneerd met vlamvertragende epoxyhars.

Standaard transmissielijnconfiguraties zijn coaxkabel, getwist paar, printplaatstriplijn en printplaatmicrostrip. De twee geleiders worden geïdentificeerd als het signaalpad en het retourpad. De spanning op een transmissielijn wordt gemeten tussen de geleiders langs de lijn en de stroom wordt gemeten door een van de geleiders.

In SI is een transmissielijn een gedistribueerde elektrische component die transversale elektromagnetische (TEM) of quasi-TEM-golven tussen twee geleiders transporteert. Deze golven bevatten afwisselend elektrische (E) en magnetische (H) velden die loodrecht op de reisrichting van de golf staan (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Transmissielijnen verspreiden energie langs de lijn met behulp van wisselende orthogonale elektrische en magnetische velden. (Bron afbeelding: Amphenol)

Een veranderend elektrisch veld creëert een veranderend magnetisch veld als een afwisselende reeks transformaties, waardoor de TEM-golf zich langs de transmissielijn voortplant in een richting loodrecht op beide velden.

Transmissielijnverbindingen tussen circuitelementen worden geconfigureerd als single-ended of differentiële verbindingen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Transmissielijnen kunnen worden geconfigureerd als single-ended (ongebalanceerd) met een signaal en een retour- of aardgeleider, of als differentieel (gebalanceerd) met twee complementaire signaalgeleiders en een aardgeleider. (Bron afbeelding: Amphenol)

Een single-ended configuratie gebruikt een signaallijn en een massalijn. De signalen zijn niet identiek en de configuratie wordt beschouwd als een ongebalanceerde propagatiemodus. Een differentiële configuratie gebruikt twee complementaire signaallijnen en een massalijn, die over het algemeen apart worden uitgevoerd. Differentiële signalen zijn een voorbeeld van een gebalanceerde propagatiemodus omdat het signaal van belang het wiskundige verschil is tussen de twee signaalelementen.

Impedantie transmissielijn

Elektrische impedantie is de weerstand van een circuit tegen een stroom als gevolg van een toegepaste wisselspanning, gemeten in ohm (Ω). Impedantie is de complexe verhouding tussen de spanning en de stroom op elk punt langs de geleider.

Transmissielijnen moeten hun impedantie regelen om signalen met hoge snelheid en hoge bandbreedte te kunnen transporteren zonder degradatie door reflecties. Hun momentane impedantie op elk punt in de lijn is constant en wordt de karakteristieke impedantie genoemd. De breedte, afstand, lengte en diëlektrische eigenschappen tussen de sporen en de massaplaat bepalen de impedantie van de transmissielijn.

De karakteristieke impedantie kan worden gezien als de weerstand tegen energieoverdracht die gepaard gaat met de voortplanting van golven in een lijn die veel langer is dan de golflengte van het voortplantende signaal.

Signaalreflecties

Als een signaal door een transmissielijn wordt doorgegeven aan een belasting met een impedantie die gelijk is aan de karakteristieke impedantie van de lijn, wordt het signaal volledig afgegeven aan de belasting. Als de impedantie van de belasting verschilt van de karakteristieke impedantie van de lijn, dan wordt een deel van de energie die op de belasting valt teruggekaatst naar de bron.

De verhouding van de amplitude van de gereflecteerde spanning,V_R, tot de amplitude van de invallende spanning,V_I, is de reflectiecoëfficiënt (Afbeelding 4). Deze is afhankelijk van de belastingsimpedantie (Z_L) en de karakteristieke impedantie van de transmissielijn (Z_C).

Afbeelding 4: De reflectiecoëfficiënt is afhankelijk van de belasting en de karakteristieke impedantie van de transmissielijn. (Bron afbeelding: Amphenol)

Reflecties zijn het gevolg van een signaal dat over een grens gaat waar de media ongelijke impedanties hebben (Afbeelding 5). Op elk grensvlak bepaalt de reflectiecoëfficiënt de amplitude en fase van de reflectie. Het signaal bij de ontvanger is de som van het uitgezonden signaal en de vertraagde reflecties.

Afbeelding 5: Het uitgezonden signaal wordt vervormd door de gereflecteerde componenten die gesommeerd worden met tijdsvertragingen die evenredig zijn met de voortplantingsvertragingen van het pad van de reflectie. (Bron afbeelding: Amphenol)

De kruising van Z₂ en Z₃ reflecteert een deel van het invallende signaal terug naar de zender, terwijl het grootste deel van de invallende energie naar de ontvanger gaat. Het gereflecteerde signaal komt een mismatch tegen in het omgekeerde pad en wordt gedeeltelijk teruggekaatst naar de ontvanger. De randen van het signaal worden gereflecteerd met een polariteit die afhangt van of de impedantie over de kruising toe- of afneemt. De timing van de reflecties hangt af van de fysieke afstand tussen de knooppunten. De ontvanger ziet de som van het uitgezonden signaal en alle reflecties.

Merk op dat het ontvangen signaal een niet-uniform boven- en onderniveau heeft door de toevoeging van de reflecties. Als de reflectieamplitudes hoog genoeg zijn, kunnen er fouten optreden bij het lezen van de gegevens. Een van de belangrijkste doelen van SI is het verminderen van reflectieafwijkingen.

Retourverlies en insertieverlies

Transmissielijnen worden gekarakteriseerd in zowel het frequentie- als het tijdsdomein. Reflecties worden gemeten als return loss (RL) in eenheden van decibel (dB) in het frequentiedomein (Afbeelding 6). Het deel van het invallende vermogen dat de belasting niet bereikt, wordt gekarakteriseerd door de insertion loss (IL), ook gemeten in dB. Een lagere insertion loss betekent een betere verbinding.

Afbeelding 6: De return loss meet het gereflecteerde vermogen in het frequentiedomein, terwijl de insertion loss het vermogen meet dat wordt ontvangen bij de belasting. (Bron afbeelding: Art Pini)

De parameter die de invoegingsverliezen in coaxiale bulkkabels beschrijft is de demping per lengte-eenheid, gespecificeerd als dB per voet (dB/ft.). of dB per meter (dB/m).

Geluid

Ruis is elk ongewenst signaal dat op een transmissielijn verschijnt. Reflecties kunnen worden gezien als een soort ruis die het ontvangen signaal kan verstoren. Ruis op een niet-overbrengende lijn kan worden ontvangen als een vals signaal.

Ruis kan van verschillende bronnen komen, zoals thermische ruis, externe straling die op een transmissielijn inwerkt en ruis van een andere lijn binnen hetzelfde apparaat (overspraak). Energie uit deze bronnen wordt toegevoegd aan de signalen op een transmissielijn. Ruis wordt gekarakteriseerd door de signaal-ruisverhouding (SNR), wat de verhouding is tussen het signaalvermogen en het ruisvermogen op een transmissielijn. Hoe hoger de signaal-ruisverhouding, hoe beter de signaalkwaliteit.

Overspraak

Overspraak is een subcategorie van ongewenste ruis die optreedt op een transmissielijn door interacties met elektromagnetische (EM) velden afkomstig van aangrenzende lijnen zonder direct contact. Overspraak wordt veroorzaakt door lijn-tot-lijn capacitieve of lijn-tot-lijn inductieve koppeling tussen een agressor (drager) en een slachtoffer (ontvanger) lijn (Figuur 7).

Afbeelding 7: Overspraak kan worden veroorzaakt door capacitieve koppeling van een spanningsverandering of inductieve koppeling van een stroomverandering van de agressor naar de transmissielijn van het slachtoffer. (Bron afbeelding: Amphenol)

Overspraak wordt gelabeld aan de hand van waar het slachtoffer het gekoppelde geluid ervaart. Near-end overspraak (NEXT) verschijnt aan de zenderzijde van een transmissielijn of een te testen apparaat (DUT), terwijl far-end overspraak (FEXT) aan de ontvangerzijde verschijnt.

Overspraak kan verminderd worden door de afstand tussen aangrenzende transmissielijnen te vergroten, de padlengte te verkleinen, differentiële lijnen te gebruiken die ruis op beide lijnen opheffen, de sporen op aangrenzende printplaatlagen loodrecht te houden en integrale aarding en afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) te gebruiken.

Resonantie

Resonantie treedt op wanneer het pad van een signaal een veelvoud is van een kwart van de golflengte van het signaal. Op zulke punten overlapt het gereflecteerde signaal de invallende golf en versterkt of verzwakt het uitgezonden signaal. De frequenties die overeenkomen met deze golflengtes worden resonanties genoemd.

Resonanties kunnen ruis veroorzaken of signalen vervormen en ontstaan door niet-afgebroken lengtes van transmissielijnen, stubs genoemd, in het signaalpad of door niet-ideale aarding. Figuur 8 toont resonantie-effecten door stubs van verschillende soorten met twee verschillende lengtes op een kanaal van 12 gigabit per seconde (Gbps).

Afbeelding 8: Weergegeven zijn voorbeelden van resonantie-effecten als gevolg van transmissielijnstubs van verschillende soorten met twee verschillende lengtes op een kanaal van 12 Gbps. (Bron afbeelding: Amphenol)

De stubs gemarkeerd met rode vakjes hebben een lengte van 0,25 inch (in.), wat resulteert in een resonantiefrequentie van ongeveer 6 gigahertz (GHz). De drie korte stompjes onder het groen aangevinkte vakje hebben een lengte van 0,025 in. Hun resonantiefrequentie is tien keer hoger of 60 GHz. Beide spectrale reacties worden getoond in de spectrum analyzer plot linksboven. Het rode spectrum is de respons van de 0,25 in. stub, terwijl het groene spoor dat van de 0,025 in. stub; de 0,25 in. stub vertoont een "wegzuig"-respons gecentreerd op 6 GHz met een zeer lage amplitude.

Het oogdiagram in de rechterbovenhoek overlapt meervoudige bitreeksen van 011, 001, 100 en 110 om een grafische SI-meting te produceren. Zolang het oog open blijft, is de overdracht succesvol. Verticale oogsluitingen zijn het gevolg van ruis, reflecties en overspraak. Horizontale oogsluitingen hebben te maken met timingproblemen zoals jitter. De 6 GHz resonantie resulteert in een ingezakt oog door het verlies van signaalamplitude.

SI in specificaties voor interconnectiecomponenten

Interconnectiecomponenten die AI-processors in datacenters ondersteunen zijn onder andere coaxiale en twisted pair kabels, connectors en printplaten (Afbeelding 9). Deze componenten worden meestal gespecificeerd in termen van karakteristieke impedantie en bandbreedte. SI-specificaties zijn onder andere demping, snelheidsfactor, retourverlies, invoegverlies en overspraak.

Afbeelding 9: Ondersteuning van AI-processors in datacenters vereist snelle kabels en connectoren om nauwkeurige en betrouwbare communicatie tussen elementen te garanderen. (Bron afbeelding: Amphenol)

Een voorbeeld van een coaxkabel is de LMR-400-ULTRAFLEX 50 Ω kabel met laag verlies van Times Microwave Systems, geschikt voor gebruik binnen of buiten op 6 GHz. De frequentie-afhankelijke demping is 0,05 dB/ft. op 900 megahertz (MHz) en neemt toe tot 0,13 dB/ft. op 5,8 GHz. De voortplantingssnelheid, een specificatie die wordt gebruikt bij reflecties, is 80% van de lichtsnelheid (een snelheidsfactor van 0,8). Reflectie- en transmissieverliezen zijn lengteafhankelijk en worden niet vermeld in de specificaties van bulkkabels.

Componenten zoals connectoren worden iets anders gespecificeerd. De Amphenol Communications Solutions 10128419-101LF mannelijke headerconnector met 112 posities is bedoeld voor backplane gebruik. Hij is geschikt voor digitale signalen met een maximale bitsnelheid van 25 tot 56 Gbps. De contacten hebben een karakteristieke impedantie van 92 Ω. Als multiconductorconnector zijn de specificaties voor insertieverlies en overspraak kritisch (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: Getoond worden de significante insertieverlies- en overspraakspecificaties als functie van de frequentie voor de 10128419-101LF header. (Bron afbeelding: Amphenol)

Dit zijn typische SI-specificaties voor interconnectiecomponenten.

Conclusie

SI moet worden overwogen tijdens het hele ontwerpproces voor hogesnelheidssystemen zoals AI-datacenters. Veel factoren kunnen SI beïnvloeden en ontwerpers moeten met al deze factoren rekening houden om hun effecten te beperken. SI kan worden gemaximaliseerd met de juiste printspoorlay-out en de juiste geleiders en connectoren.