搞清幾個概念 確保信號完整性

文章 概述

本文中，DigiKey介紹并討論了信號完整性時使用的一些術(shù)語，以及設(shè)計人員需要考慮的問題，然后 介紹了 Amphenol 優(yōu)異 的電纜和連接器解決方案，說明這些解決方案如何確保設(shè)計成功。

隨著支持人工智能 (AI) 的高性能數(shù)據(jù)中心的興起，信號完整性 (SI) 變得至關(guān)重要，這樣才能以更高的速度傳輸海量數(shù)據(jù)。為確保信號完整性，設(shè)計人員必須注意電路板布局并使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線和連接器，從而最大限度地減少反射、噪聲和串?dāng)_。此外，還必須了解傳輸線、阻抗、回波損耗和共振等基本原理。傳輸線路

傳輸線由兩根（有時是三根）長度不為零的導(dǎo)體組成，導(dǎo)體之間由電介質(zhì)隔離（圖 1 ）。電路元件之間的導(dǎo)體傳輸電信號，并將損耗或失真降至最低。常見的導(dǎo)體是銅等金屬，這些金屬材料具有高導(dǎo)電性、出色的傳輸性能和低功率損耗，而且成本相對較低。金是一種極佳的導(dǎo)體，但由于成本高昂，其使用僅限于對耐腐蝕性要求較高的應(yīng)用，如連接器插針和插座。其他金屬和合金也是針對特定應(yīng)用或材料特性而開發(fā)的。

圖 1 ：傳輸線由通過電介質(zhì)隔離的導(dǎo)體組成。導(dǎo)體間的位置可以平行，也可以同心。（圖片來源： Amphenol ）

電介質(zhì)是一種非導(dǎo)電材料，通過在導(dǎo)體的導(dǎo)電幾何形狀周圍區(qū)域形成絕緣層來隔離導(dǎo)體。 電介質(zhì)的特性會影響相鄰導(dǎo)體上的信號傳輸。

介電常數(shù) (Dk) 和耗散因數(shù) (Df) 是影響傳輸線的重要電介質(zhì)特性。 Dk 決定信號在線路上的傳播速度。例如， Dk 較低的材料傳播速度較高。 Df 表示信號沿傳輸線傳輸時材料內(nèi)部的能量損耗。 Df 越小，信號衰減越小，高頻信號尤其如此。

常見的電介質(zhì)包括空氣和各種塑料。典型的印刷電路板（ PC 板）基材是一種稱為阻燃劑 4 (FR-4) 的電介質(zhì)，即一種浸漬了阻燃環(huán)氧樹脂的玻璃纖維編織布的復(fù)合材料。

標(biāo)準(zhǔn)傳輸線配置包括同軸電纜、雙絞線、 PC 板帶狀線和 PC 板微帶線。這兩根導(dǎo)體分別為信號路徑和返回路徑。輸電線上的電壓是沿著線路在導(dǎo)體之間測量的，而電流則是通過任一導(dǎo)體測量的。

在 SI 方面，傳輸線是在兩個導(dǎo)體之間傳輸橫向電磁波 (TEM) 或準(zhǔn) TEM 波的分布式電氣元件。這些波包含與其傳播方向垂直的交變電場 (E) 和磁場 (H) （圖 2 ）。

圖 2 ：傳輸線利用交變式正交電磁場沿線路傳播能量。 ( 圖片來源： Amphenol ）

變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，形成一系列交替轉(zhuǎn)換，使 TEM 波沿著垂直于兩個場的方向在傳輸線上傳播。

電路元件之間的傳輸線連接可配置為單端或差分式連接（圖 3 ）。

圖 3 ：傳輸線既可配置為單端（不平衡），使用一根信號線和一根返回線或接地線；也可配置為差分式（平衡），使用兩根互補(bǔ)信號線和一根接地線。（圖片來源： Amphenol ）

單端配置使用一條信號線和一條地線。信號并不完全相同，這種配置被視為不平衡傳播模式。差分配置使用兩條互補(bǔ)信號線和一條地線，通常獨立運行。差分信號是平衡傳播模式的一個例子，因為需要關(guān)注的信號是兩個信號間的數(shù)學(xué)差值。

傳輸線阻抗

電阻抗是指電路對外加交流電壓產(chǎn)生的電流的抵抗，單位為歐姆 ( Ω ) 。阻抗是導(dǎo)體上每一點的電壓與電流的復(fù)數(shù)比。

傳輸線必須能夠控制其阻抗，以傳輸高速 / 高帶寬信號，而不會因反射而導(dǎo)致信號質(zhì)量下降。 傳輸線路上各點的瞬時阻抗是恒定的，稱為特性阻抗。印制線寬度、間距、長度以及印制線和接地平面之間的介電特性共同控制傳輸線路阻抗。

特性阻抗可以看作是波在長度遠(yuǎn)大于傳播信號波長的線路上傳播時所產(chǎn)生的能量傳遞阻力。

信號反射

如果信號通過傳輸線傳播到負(fù)載，而負(fù)載的阻抗等于傳輸線的特性阻抗，則信號完全傳遞到負(fù)載。如果負(fù)載阻抗與線路的特性阻抗不同，那么入射到負(fù)載上的部分能量就會反射回信號源。

反射電壓 VR 的幅值與入射電壓 VI 的幅值之比就是反射系數(shù)（圖 4 ）。該比值取決于負(fù)載阻抗 (ZL) 和傳輸線路的特性阻抗 (ZC) 。

圖 4 ：反射系數(shù)取決于負(fù)載和傳輸線路的特性阻抗。 ( 圖片來源： Amphenol ）

信號穿過介質(zhì)阻抗不匹配的邊界時會產(chǎn)生反射 （圖 5 ）。在每個界面處，反射系數(shù)決定反射的幅值和相位。接收器收到的信號是發(fā)射信號與延時反射信號之和。

圖 5 ：傳輸信號因反射分量而失真，且時間延遲與反射路徑的傳播延遲成正比。 ( 圖片來源： Amphenol ）

Z2 和 Z3 的結(jié)合處會將部分入射信號反射回發(fā)射器，而大部分入射能量則會繼續(xù)射向接收器。反射信號如在反向路徑中遇到失配，部分能量會反射回接收器。信號邊緣的反射極性取決于結(jié)合處的阻抗是增大還是減小。反射時間則取決于結(jié)合處之間的物理距離。從接收器看到的信號是傳輸信號和所有反射信號的總和。

請注意， 由于存在反射，接收信號的頂部和底部電平并不均勻。 如果反射幅值足夠大，讀取數(shù)據(jù)時就會出錯。 SI 的關(guān)鍵目標(biāo)之一是減少異常反射。

回波損耗和插入損耗

傳輸線路在頻域和時域中均進(jìn)行了特征化。在頻域中，反射是以回波損耗 (RL) 的形式測量的，單位為分貝 (dB) （圖 6 ）。未能到達(dá)負(fù)載的入射功率部分用插入損耗 (IL) 表示，單位也是 dB 。插入損耗越低，連接性能越好。

圖 6 ：回波損耗測量的是頻域中的反射功率，而插入損耗測量的是負(fù)載接收到的功率。 ( 圖片來源： Art Pini ）

用于描述散裝同軸電纜上的插入損耗的參數(shù)是單位長度上的衰減，以分貝 / 英尺 (dB/ft) 或分貝 / 米 (dB/m) 為單位。

噪聲

噪聲是出現(xiàn)在傳輸線上的所有不想要的信號。反射可被視為一種噪聲，會破壞接收到的信號。非傳輸線路上的噪聲可能作為假信號被接收。

噪聲有多種來源，例如熱噪聲、影響傳輸線路的外部輻射以及來自同一設(shè)備內(nèi)另一條線路的噪聲（串?dāng)_）。這些源頭的能量會添加到傳輸線路中的信號上。噪聲的特征化參數(shù)是信噪比 (SNR) ，即傳輸線上信號功率與噪聲功率之比。 信噪比越高，信號質(zhì)量越好 。

串?dāng)_

串?dāng)_是一種由相鄰線路的電磁 (EM) 場相互作用而出現(xiàn)在傳輸線路上，但未直接接觸的一種噪聲。串?dāng)_是并不希望出現(xiàn)的噪聲的子類別。串?dāng)_是由攻擊者（載波）線路和受害者（接收器）線路之間的線對線電容耦合或線對線電感耦合引起的（圖 7 ）。

圖 7 ：電壓變化的容性耦合或電流變化的感性耦合可導(dǎo)致從攻擊者到受害傳輸線上出現(xiàn)串?dāng)_。 ( 圖片來源： Amphenol ）

串?dāng)_根據(jù)受害者經(jīng)受到耦合噪聲的位置進(jìn)行標(biāo)注。近端串?dāng)_ (NEXT) 出現(xiàn)在傳輸線或被測設(shè)備 (DUT) 的發(fā)射端，而遠(yuǎn)端串?dāng)_ (FEXT) 則出現(xiàn)在接收端。

為了減少串?dāng)_，可采取以下措施：增加相鄰傳輸線之間的距離、減小路徑長度、使用差分線路以消除兩條線的共同噪聲、保持相鄰電路板層上的印制線垂直，以及采用整體接地和電磁干擾 (EMI) 屏蔽層。

諧振

當(dāng)信號路徑是四分之一信號波長的倍數(shù)時會發(fā)生諧振。在這些點上，反射信號與入射波形成重疊，會放大或衰減傳輸信號。與這些波長相對應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。

諧振會造成噪聲或信號失真 ，產(chǎn)生的原因是信號路徑中的未端接的傳輸線部分（也稱殘樁）或非理想的接地回波。圖 8 顯示了在一個每秒 12 千兆比特 (Gbps) 的信道上，兩種長度的不同殘樁所產(chǎn)生的諧振效應(yīng)。

圖 8 ：所示為 12 Gbps 信道上兩種長度的傳輸線殘樁所產(chǎn)生的諧振效應(yīng)。 ( 圖片來源： Amphenol ）

用紅色方框標(biāo)出的殘樁長度為 0.25 英寸 (in.) ，諧振頻率約為 6 千兆赫（ GHz ）。綠色復(fù)選框下的三個短殘樁的長度為 0.025 in. 。這些殘樁的諧振頻率增大了 10 倍，即 60 GHz 。左上角的頻譜分析圖給出了兩種頻譜響應(yīng)曲線。紅色頻譜是 0.25 in. 殘樁的響應(yīng)，綠色跡線則是 0.025 in. 殘樁的響應(yīng)； 0.25 in. 殘樁顯示了以 6 GHz 為中心的“吸出”響應(yīng)，且振幅較低。

右上眼圖重疊了 011 、 001 、 100 和 110 的多比特序列，以生成 SI 圖形化測量值。只要保持眼睛睜開，傳輸就成功了。垂直閉眼是由于噪聲、反射和串?dāng)_造成的。水平閉眼與抖動等定時問題有關(guān)。由于信號幅值缺失， 6 GHz 諧振會導(dǎo)致眼圖塌陷。

互聯(lián)組件規(guī)格中的 SI

在數(shù)據(jù)中心中支持 AI 處理器的互連組件包括同軸和雙絞線電纜、連接器和電路板（圖 9 ）。這些組件通常以特性阻抗和帶寬來指定。 SI 規(guī)格包括衰減、速度因子、回波損耗、插入損耗和串?dāng)_。

圖 9 ：要支持?jǐn)?shù)據(jù)中心中的 AI 處理器，就需要采用高速電纜和連接器，以確保各組件之間準(zhǔn)確可靠的通信。 ( 圖片來源： Amphenol ）

Times Microwave Systems 的 LMR-400-ULTRAFLEX 50Ω 低損耗電纜就是一種同軸電纜，額定頻率為 6 GHz，可室內(nèi)外使用。其頻率衰減為 900 MHz 時 0.05 dB/ft，5.8 GHz 時增大至 0.13 dB/ft。這種同軸電纜的傳播速度（處理反射時使用的規(guī)格）是光速的 80%，即速度系數(shù)為 0.8。反射和傳輸損耗由電纜自身長度決定，散裝電纜規(guī)格中沒有給出。對連接器等組件的規(guī)定有所不同。 Amphenol Communications Solutions 的 10128419-101LF 是 112 位公頭連接器，可用于背板。這種連接器可處理最大比特率為 25 Gbps 至 56 Gbps 的數(shù)字信號，且觸頭的特性阻抗為 92 Ω。這是一種多觸頭連接器，插入損耗和串?dāng)_規(guī)格至關(guān)重要（圖 10）。

圖 10 ： 10128419-101LF 接頭的重要插入損耗和串?dāng)_規(guī)格與頻率的函數(shù)關(guān)系。 ( 圖片來源： Amphenol ）

這些是與互連組件相關(guān)的典型 SI 規(guī)格。

結(jié)語

在 AI 數(shù)據(jù)中心等高速系統(tǒng)的整個設(shè)計過程中，必須考慮 SI 。影響 SI 的因素很多，設(shè)計人員必須考慮到所有這些因素，以減輕其影響。通過正確的電路板印制線布局以及適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線和連接器，可以最大限度地提高 SI 。

 小編的話

電纜和連接器通過低損耗傳輸、阻抗匹配、電磁屏蔽、機(jī)械穩(wěn)定四大機(jī)制，能夠保障信號在幅度、時序和噪聲方面的完整性。而在高頻 / 高速場景中，其設(shè)計還要結(jié)合材料科學(xué)、精密加工和仿真工具，方可應(yīng)對信號衰減、串?dāng)_和干擾的挑戰(zhàn)。您在信號完整性設(shè)計中如何選擇電纜和連接器？您對 電介質(zhì)的選型有哪些經(jīng)驗或疑問？ 歡迎留言，分享交流！