Lär dig grunderna om signalintegritet

Ökningen av högeffektiva datacenter för att stödja artificiell intelligens (AI) gör att signalintegritet (SI) är avgörande för de enorma datamängder som ska kunna förflyttas i allt högre hastigheter. För att garantera signalintegriteten SI måste konstruktörer minimera reflektioner, störningar och överhörning genom att vara uppmärksamma på kretskortets layout och använda lämpliga ledare och kontaktdon. De måste även förstå grundläggande principer som överföringsledningar, impedans, returförlust och resonans.

Artikeln presenterar några av de termer som används i diskussionen kring signalintegritet och vad konstruktörer behöver tänka på. Därefter presenteras exempel på lösningar med kablar och kontaktdon från Amphenol som visar hur de kan säkerställa en lyckad konstruktion.

Överföringsledningar

En överföringsledning består av två (eller ibland tre) ledare med en längd som är större än noll och inte är åtskilda av ett dielektrikum (figur 1). Ledare överför elektriska signaler mellan kretsens delar med minimal förlust eller förvrängning. Vanliga ledare består av metaller, som t.ex. koppar, med en hög elektrisk ledningsförmåga, utmärkt överföring och låga effektförluster till en relativt låg kostnad. Guld är en utmärkt ledare, men på grund av den höga kostnaden är användningen begränsad till tillämpningar som kräver hög korrosionsbeständighet, som t.ex. kontaktstift och uttag. Andra metaller och legeringar har utvecklats för specifika tillämpningar eller materialegenskaper.

Figur 1: Överföringsledningar består av ledare som är åtskilda av ett dielektrikum. Ledarna kan vara parallella eller koncentriska. (Bildkälla: Amphenol)

Dielektrikum är icke-ledande material som separerar ledare genom att isolera området runt deras ledande geometrier. Dielektrikumets egenskaper påverkar hur signalerna färdas i de närliggande ledarna.

Den relativa permittiviteten och förlustfaktorn är viktiga egenskaper hos dielektrikum som påverkar överföringsledningar. Den relativa permittivitetenD bestämmer signalens utbredningshastighet i ledaren. Ett material med lägre relativ permittivitet har exempelvis en högre spridningshastighet. Förlustfaktorn representerar energiförlusten i materialet när signalen färdas längs överföringsledningen. En lägre förlustfaktor innebär en lägre signaldämpning, särskilt vid höga frekvenser.

Vanliga dielektrikum är luft och olika plaster. Ett vanligt mönsterkortssubstrat är ett dielektrikum som kallas FR-4, och är en sammansättning av en vävd glasfiberduk som impregnerats med flamskyddande epoxiharts.

Vanliga överföringsledningar kan vara koaxialkabel, tvinnade par, banor ovanpå kretskort och banor inuti kretskort. De två ledarna kallas för signal- och returbanor. Spänningen i en överföringsledning mäts mellan ledarna längs ledningen och strömmen mäts genom någon av ledarna.

För signalintegritet är en överföringsledning en distribuerad elektrisk komponent som bär tvärgående elektromagnetiska vågor (TEM) eller kvasi-tvärgående elektromagnetiska vågor mellan två ledare. Vågorna vågor innehåller växlande elektriska (E) och magnetiska (H) fält som är vinkelräta mot vågens rörelseriktning (figur 2).

Figur 2: Överföringsledningar sprider energi längs ledningen med hjälp av växlande ortogonala elektriska och magnetiska fält. (Bildkälla: Amphenol)

Ett föränderligt elektriskt fält skapar ett föränderligt magnetiskt fält som en rad växlande transformationer, varvid den tvärgående elektromagnetiska vågen sprids längs överföringsledningen i en riktning som är vinkelrät mot de båda fälten.

Anslutningar för överföringsledningen mellan kretsens delar konfigureras som obalanserade eller balanserade anslutningar (figur 3).

Bild 3: Överföringsledningar kan vara antingen obalanserade med en signal och en retur- eller jordledare, eller som balanserade med två komplemtterande signalledare och en jordledare. (Bildkälla: Amphenol)

I en obalanserad konfiguration används en signalledning och en jordledning. Signalerna är inte identiska och konfigurationen betraktas som ett obalanserat spridningsläge. En balanserad konfiguration använder två kompletterande signalledningar och en jordledning, som vanligtvis är separerade. Balanserade signaler är ett exempel på ett balanserat spridningsmönster eftersom den intressanta signalen är den matematiska skillnaden mellan de två signalernas delar.

Överföringsledningens impedans

Elektrisk impedans är en krets resistans mot en ström som genereras av tillförd växelspänning, mätt i ohm (Ω). Impedansen är det komplicerade förhållandet mellan spänning och ström vid respektive punkt längs ledaren.

Impedansen i överföringsledningar måste vara kontrollerad för att signaler med hög hastighet eller bandbredd ska kunna överföras utan försämring till följd av reflektioner. Deras momentana impedans vid respektive punkt längs ledningen är konstant och kallas för den karakteristiska impedansen. Banans bredd, mellanrum, längd och de dielektriska egenskaperna mellan banorna och jordplanet styr överföringsledningens impedans.

Den karakteristiska impedansen kan betraktas som resistansen mot energiöverföring i samband med vågens spridning i en ledning som är mycket längre än våglängden för den utbredda signalen.

Signalreflektioner

Om en signal sprids genom en överföringsledning till en last med en impedans som är lika med ledningens karakteristiska impedans, levereras hela signalen till lasten. Om lastens impedans skiljer sig från ledningens karakteristiska impedans reflekteras en del av lastens energi tillbaka mot källan.

Förhållandet mellan amplituden för den reflekterade spänningen, V_R, och amplituden för den infallande spänningen, V_I, är reflektionskoefficienten (figur 4). Den beror på belastningens impedans (Z_L) och överföringsledningens karakteristiska impedans (Z_C).

Bild 4: Reflektionskoefficienten beror på belastningen och överföringsledningens karakteristiska impedans. (Bildkälla: Amphenol)

Reflektioner uppstår när en signal passerar över en gräns där medierna har olika impedanser (figur 5). Reflektionskoefficienten bestämmer reflektionens amplitud och fas, vid varje gränssnitt. Signalen vid mottagaren är summan av den utsända signalen och de tidsfördröjda reflektionerna.

Bild 5: Den överförda signalen förvrängs av de reflekterade delarna som summerat med tidsfördröjningar är proportionerliga mot spridningsfördröjningarna i den reflekterade banan. (Bildkälla: Amphenol)

Övergången mellan Z₂ och Z₃ reflekterar en del av den infallande signalen tillbaka mot sändaren medan huvuddelen av den infallande energin fortsätter till mottagaren. Den reflekterade signalen stöter på en felmatchning i den omvända vägen och reflekteras delvis tillbaka mot mottagaren. Signalens flanker reflekteras med en polaritet som beror på om impedansen i övergången ökar eller minskar. Tidpunkten för reflektionerna beror på det fysiska avståndet mellan övergångarna. Mottagaren ser summan av den utsända signalen och alla reflektioner.

Observera att den mottagna signalen har ojämna topp- och bottennivåer till följd av att reflektionerna läggs ihop. Om reflektionens amplituder är tillräckligt höga kan det uppstå fel vid avläsning av informationen. Ett av de viktigaste målen med signalintegritet är att minska avvikelserna till följd av reflektioner.

Retur- och införingsförluster

Överföringsledningar kan karakteriseras i både frekvens- och tidsdomäner. Reflektioner mäts som returförluster (RL) i enheten decibel (dB) i frekvensdomänen (figur 6). Den del av den infallande effekten som inte når lasten karakteriseras av införingsförlusten (IL), som också mäts i dB. En lägre införingsförlust innebär en bättre anslutning.

Figur 6: Returförlusten mäter den reflekterade effekten i frekvensdomänen, medan införingsförlusten mäter den effekt som tas emot vid lasten. (Bildkälla: Art Pini)

Den parameter som beskriver införingsdämpningen i koaxialkabel är dämpning per längdenhet, angivet som dB per meter (dB/m).

Störningar

En störning är en oönskad signal som tränger in i en överföringsledning. Reflektioner kan ses som en typ av störning som kan förstöra den mottagna signalen. Störningar på en icke-sändande linje kan tas emot som en falsk signal.

Störningar kan härröra från flera olika källor, som t.ex. termiska störningar, extern strålning som träffar en överföringsledning och störningar från en annan ledning i samma enhet (överhörning). Energi från dessa källor adderas till signalerna i en överföringsledning. Störningar karakteriseras signal-/brusförhållandet (SNR), som är förhållandet mellan signalens effekt och störningens effekt på en överföringsledning. Ju högre signal-/brusförhållandet är, desto bättre är signalkvaliteten.

Överhörning

Överhörning är en underkategori av oönskade störningar som uppstår i en överföringsledning till följd av interaktioner med elektromagnetiska fält som härrör från närliggande ledningar utan direktkontakt. Överhörning orsakas av en kapacitiv eller induktiv koppling mellan ledare från en angripande (bärvåg) och en angripen (mottagare) ledare (figur 7).

Figur 7: Överhörning kan orsakas av en kapacitiv koppling av en spänningsförändring eller induktiv koppling av en strömförändring från den angripande ledaren till den angripna överföringsledaren. (Bildkälla: Amphenol)

Överhörning betecknas i enlighet med var den angripna ledaren drabbas av den kopplade störningen. Bakåtöverhörning (NEXT) uppträder på sändarsidan av en överföringsledning eller enhet som testas (DUT), medan framåtöverhörning (FEXT) uppträder på mottagarsidan.

Överhörningen kan minskas genom att öka avståndet mellan närliggande överföringsledningar, minska ledningslängden, använda balanserade ledare som eliminerar störningar som är gemensamma för de båda ledarna, hålla banorna i närliggande kretskortslager vinkelräta och använda inbyggd jordning och skärmning mot elektromagnetiska störningar (EMI).

Resonans

Resonans uppstår när vägen för en signal är en multipel av en fjärdedel av signalens våglängd. Vid sådana punkter, överlappar den reflekterade signalen den infallande vågen och antingen förstärker eller dämpar den utsända signalen. De frekvenser som motsvarar dessa våglängder kallas resonanser.

Resonanser kan orsaka störningar eller förvränga signaler och uppstår på grund av överföringsledningar som inte terminerats, i signalvägen eller i jordreturer som inte är idealiska. Figur 8 visar resonanseffekter på överföringsledningar utan terminering av olika slag med två olika längder på en kanal för 12 Gbit/s.

Figur 8: Här visas exempel på resonanseffekter till följd av överföringsledningar utan terminering av flera olika slag med två olika längder på en kanal för 12 Gbit/s. (Bildkälla: Amphenol)

De överföringsledningar utan terminering som är markerade med röda rutor har en längd på 6,35 mm, vilket ger en resonansfrekvens på ca 6 GHz. De tre korta överföringsledningarna utan terminering under den gröna kryssrutan har en längd på 0,635 mm. Deras resonansfrekvens är tio gånger högre eller 60 GHz. De båda spektralsvaren visas i spektrumanalysatorns graf i den övre vänstra delen. Det röda spektrumet är svaret från överföringsledningen utan terminering på 6,35 mm. medan den gröna banan avser överföringsledningen på 0,635 mm. Överföringsledningen utan terminering uppvisar en "signalsänkning" i svaret centrerat vid 6 GHz med en mycket låg amplitud.

Ögondiagrammet i det övre högra hörnet överlappar flera bitsekvenser med 011, 001, 100 och 110 för att producera en grafisk SI-mätning. Så länge ögat förblir öppet är överföringen framgångsrik. Ett vertikalt slutet öga beror på störningar, reflektioner och överhörning. Ett horisontellt slutet öga är relaterade till tidsproblem som t.ex. jitter. Resonansen på 6 GHz leder till att ögat kollapsar till följd av förlusten av signalens amplitud.

Signalintegritet i specifikationer för sammankopplingskomponenter

Sammankopplingskomponenter som stöder AI-processorer i datacenter omfattar koaxialkablar och partvinnade kablar, kontaktdon och kretskort (figur 9). Komponenterna specificeras vanligtvis i termer av karakteristisk impedans och bandbredd. Specifikationerna för signalintegritet omfattar dämpning, hastighetsfaktor, returförlust, införingsförlust och överhörning.

Figur 9: För att stödja AI-processorer i datacenter krävs kablar och kontakter för hög hastighet för att säkerställa korrekt och tillförlitlig kommunikation mellan delarna. (Bildkälla: Amphenol)

Ett exempel på en koaxialkabel är kabeln LMR-400-ULTRAFLEX för 50 Ω med låga förluster från Times Microwave Systems, som är klassificerad för användning vid 6 GHz inom- eller utomhus. Dess frekvensberoende dämpning är 0,05 dB/m vid 900 MHz och den ökar till 0,13 dB/m vid 5,8 GHz. Spridningshastigheten, en specifikation som används för reflektioner, är 80 % av ljusets hastighet (en hastighetsfaktor på 0,8). Förluster till följd av reflektion och överföring beror på längden och anges inte i specifikationerna för bulkkablar.

Komponenter som t.ex. kontaktdon specificeras på ett lite annorlunda sätt. Kretskortslisten 10128419-101LF med 112 positioner från Amphenol Communications Solutions är avsedd för användning i bakplan. Den är klassificerad för att hantera digitala signaler med en maximal bithastighet på 25 till 56 Gbit/s. Dess kontakter har en karakteristisk impedans på 92 Ω. Eftersom det är ett kontaktdon med flera ledare är specifikationerna för införingsförlust och överhörning viktiga (figur 10).

Bild 10: Här visas specifikationerna för betydande införingsförlust och överhörning som en funktion av frekvensen för kretskortslisten 10128419-101LF. (Bildkälla: Amphenol)

Dessa är typiska specifikationer för signalintegritet i sammankopplingskomponenter.

Sammanfattning

Signalintegritet måste beaktas under hela konstruktionsprocessen för höghastighetssystem, som t.ex. datacenter för AI. Många faktorer kan påverka signalintegriteten, och konstruktörer måste ta hänsyn till dem alla för att minska effekterna. Signalintegriteten kan maximeras med rätt layout för kretskortets banor samt lämpliga ledare och kontaktdon.