Nozioni di base sull'integrità di segnale

L'aumento dei data center ad alte prestazioni per supportare l'intelligenza artificiale (IA) rende fondamentale l'integrità di segnale (SI) per poter trasferire grosse quantità di dati a velocità sempre più elevate. Per garantire l'affidabilità, i progettisti devono ridurre al minimo la riflessione, il rumore e la diafonia, prestando attenzione al layout della scheda e all'uso di conduttori e connettori appropriati. Devono inoltre conoscere i principi fondamentali, come le linee di trasmissione, l'impedenza, l'attenuazione di riflessione e la risonanza.

Questo articolo presenta alcuni dei termini utilizzati nella discussione sull'integrità di segnale e gli aspetti che i progettisti devono considerare. Presenta quindi soluzioni esemplari di cavi e connettori di Amphenol per mostrare come garantire il successo della progettazione.

Linee di trasmissione

Una linea di trasmissione è costituita da due (o talvolta tre) conduttori di lunghezza non zero, separati da un dielettrico (Figura 1). I conduttori trasportano i segnali elettrici tra gli elementi del circuito con perdite o distorsioni minime. I conduttori comuni sono i metalli come il rame, che hanno un'elevata conducibilità elettrica, un'eccellente trasmissione e basse perdite di potenza a un costo relativamente basso. L'oro è un eccellente conduttore, ma a causa del costo elevato, il suo utilizzo è limitato alle applicazioni che richiedono un'elevata resistenza alla corrosione, come i connettori maschio e femmina. Sono stati sviluppati altri metalli e leghe per applicazioni o caratteristiche specifiche.

Figura 1: Le linee di trasmissione sono costituite da conduttori separati da un dielettrico. I conduttori possono essere paralleli o concentrici. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

I dielettrici sono materiali non conduttivi che separano i conduttori isolando l'area intorno alle loro geometrie conduttrici. Le proprietà dei dielettrici influenzano il modo in cui i segnali viaggiano sui conduttori adiacenti.

La costante dielettrica (Dk) e il fattore di dissipazione (Df) sono caratteristiche significative dei dielettrici e hanno un impatto sulle linee di trasmissione. Il Dk determina la velocità di propagazione del segnale sulla linea. Ad esempio, un materiale con un Dk basso ha una velocità di propagazione più elevata. Il Df rappresenta la perdita di energia all'interno del materiale mentre il segnale viaggia lungo la linea di trasmissione. Un Df basso indica una minore attenuazione del segnale, soprattutto alle alte frequenze.

I dielettrici più comuni sono l'aria e varie materie plastiche. Un tipico substrato per schede a circuiti stampati (schede CS) è un dielettrico ritardante di fiamma 4 (FR-4), un composito di tessuto in fibra di vetro impregnato con una resina epossidica ritardante di fiamma.

Le configurazioni standard delle linee di trasmissione sono il cavo coassiale, il doppino intrecciato, la linea TEM a piastre parallele su scheda CS e la linea a microstriscia su scheda CS. I due conduttori sono identificati come i percorsi di segnale e di ritorno. La tensione su una linea di trasmissione viene misurata tra i conduttori lungo la linea, mentre la corrente viene misurata attraverso uno dei conduttori.

Nell'integrità di segnale, una linea di trasmissione è un componente elettrico distribuito che trasporta onde elettromagnetiche trasversali (TEM) o quasi-TEM tra due conduttori. Queste onde contengono campi elettrici (E) e magnetici (H) alternati, perpendicolari alla direzione di marcia dell'onda (Figura 2).

Figura 2: Le linee di trasmissione propagano l'energia lungo la linea utilizzando campi elettrici e magnetici alternati e ortogonali. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Un campo elettrico variabile crea un campo magnetico variabile come una serie alternata di trasformazioni, propagando l'onda TEM lungo la linea di trasmissione in una direzione perpendicolare a entrambi i campi.

Le connessioni della linea di trasmissione tra gli elementi del circuito sono configurate come connessioni sbilanciate o differenziali (Figura 3).

Figura 3: Le linee di trasmissione possono essere configurate sia come a terminazione singola (sbilanciate), utilizzando un segnale e un conduttore di ritorno o di terra, sia come differenziali (bilanciate) con due conduttori di segnale complementari e un conduttore di terra. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Una configurazione sbilanciata utilizza una linea di segnale e una linea di massa. I segnali non sono identici e la configurazione è considerata un modo di propagazione sbilanciato. Una configurazione differenziale utilizza due linee di segnale complementari e una linea di massa, generalmente gestite separatamente. I segnali differenziali sono un esempio di modo di propagazione bilanciato, poiché il segnale di interesse è la differenza matematica tra i due elementi del segnale.

Impedenza della linea di trasmissione

L'impedenza elettrica è l'opposizione di un circuito a una corrente dovuta a una tensione alternata applicata, misurata in ohm (Ω). L'impedenza è il rapporto complesso tra la tensione e la corrente in ogni punto del conduttore.

Le linee di trasmissione devono controllare la loro impedenza per trasportare segnali ad alta velocità/larghezza di banda senza subire deterioramenti dovute alla riflessione. La loro impedenza istantanea in ogni punto della linea è costante e viene definita impedenza caratteristica. La larghezza, la spaziatura e la lunghezza delle tracce e le proprietà dielettriche tra le tracce e il piano di massa controllano l'impedenza della linea di trasmissione.

L'impedenza caratteristica può essere considerata come la resistenza al trasferimento di energia associata alla propagazione delle onde in una linea molto più lunga della lunghezza d'onda del segnale in propagazione.

Riflessioni del segnale

Se un segnale si propaga attraverso una linea di trasmissione fino a un carico con un'impedenza pari all'impedenza caratteristica della linea, il segnale viene trasmesso al carico nella sua interezza. Se l'impedenza del carico differisce dall'impedenza caratteristica della linea, una parte dell'energia incidente sul carico viene riflessa verso la sorgente.

Il rapporto tra l'ampiezza della tensione riflessa, V_R, e l'ampiezza della tensione incidente, V_I, è il coefficiente di riflessione (Figura 4). Dipende dall'impedenza del carico (Z_L) e dall'impedenza caratteristica della linea di trasmissione (Z_C).

Figura 4: Il coefficiente di riflessione dipende dal carico e dall'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. (Immagine del coefficiente di riflessione dipendente Amphenol)

Le riflessioni derivano dal passaggio di un segnale attraverso un confine ove i mezzi hanno impedenze non corrispondenti (Figura 5). Ad ogni interfaccia, il coefficiente di riflessione determina l'ampiezza e la fase della riflessione. Il segnale sul ricevitore è la somma del segnale trasmesso e delle riflessioni ritardate.

Figura 5: Il segnale trasmesso è distorto dalle componenti riflesse sommate con ritardi temporali proporzionali ai ritardi di propagazione del percorso della riflessione. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

La giunzione di Z₂ e Z₃ riflette parte del segnale incidente verso il trasmettitore, mentre la maggior parte dell'energia incidente prosegue verso il ricevitore. Il segnale riflesso incontra un disadattamento nel percorso inverso e viene parzialmente riflesso verso il ricevitore. I fronti del segnale vengono riflessi con una polarità che dipende dall'aumento o dalla diminuzione dell'impedenza attraverso la giunzione. La temporizzazione delle riflessioni dipende dalla distanza fisica tra le giunzioni. Il ricevitore vede la somma del segnale trasmesso e di tutte le riflessioni.

Si noti che il segnale ricevuto presenta livelli superiori e inferiori non uniformi a causa dell'aggiunta delle riflessioni. Se le ampiezze di riflessione sono sufficientemente elevate, possono verificarsi errori durante la lettura dei dati. Uno degli obiettivi critici della SI è la riduzione delle anomalie di riflessione.

Attenuazione di riflessione e perdita di inserzione

Le linee di trasmissione sono caratterizzate sia nel dominio della frequenza sia in quello del tempo. Le riflessioni sono misurate come attenuazione di riflessione (RL) in unità di decibel (dB) nel dominio della frequenza (Figura 6). La porzione di potenza incidente che non raggiunge il carico è caratterizzata dalla perdita di inserzione (IL), anch'essa misurata in dB. Una minore perdita di inserzione si traduce in una connessione migliore.

Figura 6: L'attenuazione di riflessione misura la potenza riflessa nel dominio della frequenza, mentre la perdita di inserzione misura la potenza ricevuta dal carico. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il parametro che descrive la perdita di inserzione nel cavo coassiale sfuso è l'attenuazione per unità di lunghezza, specificata come dB per piede (dB/ft) o dB per metro (dB/m).

Rumore

Il rumore è un segnale indesiderato che compare su una linea di trasmissione. Le riflessioni possono essere considerate un tipo di rumore, che può alterare il segnale ricevuto. Il rumore su una linea non trasmittente può essere ricevuto come un segnale falso.

Il rumore può provenire da diverse fonti, come il rumore termico, le radiazioni esterne che colpiscono una linea di trasmissione e il rumore proveniente da un'altra linea all'interno dello stesso dispositivo (diafonia). L'energia proveniente da queste fonti si aggiunge ai segnali su una linea di trasmissione. Il rumore è caratterizzato dal rapporto segnale/rumore (SNR), ossia il rapporto tra la potenza del segnale e la potenza del rumore su una linea di trasmissione. Maggiore è il rapporto segnale/rumore, migliore è la qualità del segnale.

Diafonia

La diafonia è una sottocategoria di rumore indesiderato che compare su una linea di trasmissione a causa delle interazioni con i campi elettromagnetici (EM) provenienti da linee adiacenti senza contatto diretto. La diafonia è causata dall'accoppiamento capacitivo o induttivo tra una linea aggressore (portante) e una linea vittima (ricevente) (Figura 7).

Figura 7: La diafonia può essere causata dall'accoppiamento capacitivo di una variazione di tensione o dall'accoppiamento induttivo di una variazione di corrente dalla linea di trasmissione portante a quella ricevente. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

La diafonia è etichettata in base al punto in cui la linea ricevente percepisce il rumore accoppiato. La diafonia di prossimità (NEXT) si manifesta sul lato trasmittente di una linea di trasmissione o di un dispositivo sotto test (DUT), mentre la telediafonia (FEXT) si manifesta sul lato ricevente.

La diafonia può essere ridotta aumentando la distanza tra le linee di trasmissione adiacenti, diminuendo la lunghezza del percorso, utilizzando linee differenziali che annullano il rumore comune a entrambe le linee, mantenendo perpendicolari le tracce sugli strati adiacenti della scheda CS e incorporando una messa a terra integrale e una schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Risonanza

La risonanza si verifica quando il percorso di un segnale è un multiplo di un quarto della lunghezza d'onda del segnale stesso. In questi punti, il segnale riflesso si sovrappone all'onda incidente e amplifica o attenua il segnale trasmesso. Le frequenze corrispondenti a queste lunghezze d'onda sono dette risonanze.

Le risonanze possono causare rumore o distorcere i segnali e sono dovute a linee di trasmissione non terminate, chiamate "tronchi", nel percorso del segnale o a ritorni di massa non ideali. La Figura 8 mostra gli effetti della risonanza dovuti a tronchi di vario tipo con due lunghezze diverse su un canale da 12 Gbps.

Figura 8: Esempi di effetti di risonanza dovuti a tronchi di linee di trasmissione di vario tipo con due lunghezze diverse su un canale da 12 Gbps. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

I tronchi evidenziati con le caselle rosse hanno una lunghezza di 0,25 pollici, con una frequenza di risonanza di circa 6 GHz. I tre tronchi corti sotto la casella verde selezionata hanno una lunghezza di 0,025 pollici. La loro frequenza di risonanza è dieci volte superiore, cioè 60 GHz. Entrambe le risposte spettrali sono mostrate nel grafico dell'analizzatore di spettro in alto a sinistra. Lo spettro rosso è la risposta del tronco di 0,25 pollici, mentre la traccia verde è quella del tronco di 0,025 pollici il tronco di 0,25 pollici mostra una risposta di "risucchio" centrata a 6 GHz con un'ampiezza molto bassa.

Il diagramma a occhio in alto a destra sovrappone sequenze di più bit di 011, 001, 100 e 110 per produrre una misurazione SI grafica. Finché l'occhio rimane aperto, la trasmissione ha successo. Le chiusure verticali dell'occhio sono dovute a rumore, riflessioni e diafonia. Le chiusure orizzontali dell'occhio sono dovute a problemi di temporizzazione come il jitter. La risonanza a 6 GHz provoca il collasso dell'occhio a causa della perdita di ampiezza del segnale.

La SI nelle specifiche dei componenti di interconnessione

I componenti di interconnessione che supportano i processori IA nei data center includono cavi coassiali e a doppino intrecciato, connettori e schede CS (Figura 9). Questi componenti sono solitamente specificati in termini di impedenza caratteristica e larghezza di banda. Le specifiche SI includono attenuazione, fattore di velocità, attenuazione di riflessione, perdita di inserzione e diafonia.

Figura 9: Il supporto dei processori IA nei data center richiede cavi e connettori ad alta velocità per garantire comunicazioni precise e affidabili tra gli elementi. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Un esempio di cavo coassiale è il cavo a bassa perdita di 50 Ω LMR-400-ULTRAFLEX di Times Microwave Systems, adatto al funzionamento in ambienti interni o esterni a 6 GHz. L'attenuazione in funzione della frequenza è di 0,05 dB/ft a 900 MHz e aumenta a 0,13 dB/ft a 5,8 GHz. La sua velocità di propagazione, una specifica utilizzata quando si tratta di riflessioni, è pari all'80% della velocità della luce (un fattore di velocità di 0,8). Le perdite di riflessione e trasmissione dipendono dalla lunghezza e non sono indicate nelle specifiche dei cavi sfusi.

I componenti come i connettori sono specificati in modo diverso. Il connettore per basette maschio a 112 posizioni 10128419-101LF di Amphenol Communications Solutions è destinato all'uso sui backplane. È in grado di gestire segnali digitali con una velocità di trasmissione massima compresa tra 25 e 56 Gbps. I suoi contatti hanno un'impedenza caratteristica di 92 Ω. Essendo un connettore multiconduttore, le sue specifiche di perdita di inserzione e diafonia sono fondamentali (Figura 10).

Figura 10: Le specifiche di perdita di inserzione e diafonia in funzione della frequenza per il connettore 10128419-101LF. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Queste sono le tipiche specifiche SI associate ai componenti di interconnessione.

Conclusione

L'integrità di segnale deve essere presa in considerazione nell'intero processo di progettazione di sistemi ad alta velocità come i data center IA. Molti fattori possono influenzare l'integrità di segnale e i progettisti devono tenerne conto per mitigarne gli effetti. L'isolamento può essere massimizzato con un'adeguata disposizione delle tracce della scheda CS e con conduttori e connettori appropriati.