Aprenda los principios básicos de la integridad de la señal

El auge de los centros de datos de alto rendimiento como soporte de la inteligencia artificial (IA) hace que la integridad de la señal (IS) sea fundamental para poder mover cantidades masivas de datos a velocidades cada vez mayores. Para garantizar la IS, los diseñadores deben minimizar las reflexiones, el ruido y la diafonía prestando atención a la disposición de la placa y al uso de conductores y conectores adecuados. También, deben comprender principios fundamentales como las líneas de transmisión, la impedancia, las pérdidas de retorno y la resonancia.

En este artículo se presentan algunos de los términos utilizados en el debate sobre la IS y lo que los diseñadores deben tener en cuenta. A continuación, se presentan soluciones ejemplares de cables y conectores de Amphenol para mostrar cómo pueden garantizar el éxito del diseño.

Líneas de transmisión

Una línea de transmisión está formada por dos (o a veces tres) conductores de longitud distinta de cero separados por un dieléctrico (Figura 1). Los conductores transportan señales eléctricas entre elementos del circuito con pérdidas o distorsiones mínimas. Los conductores habituales son metales como el cobre, que tienen una alta conductividad eléctrica, una excelente transmisión y bajas pérdidas de potencia a un costo relativamente bajo. El oro es un excelente conductor, pero debido a su elevado costo, su uso se limita a aplicaciones que requieren una gran resistencia a la corrosión, como las clavijas y los enchufes de los conectores. Se han desarrollado otros metales y aleaciones para aplicaciones o características de material específicas.

Figura 1: Las líneas de transmisión están formadas por conductores separados por un dieléctrico. Los conductores pueden ser paralelos o concéntricos. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Los dieléctricos son materiales no conductores que separan los conductores aislando la zona alrededor de sus geometrías conductoras. Las propiedades de los dieléctricos influyen en el modo en que las señales viajan por los conductores adyacentes.

La constante dieléctrica (Dk) y el factor de disipación (Df) son características significativas de los dieléctricos que afectan a las líneas de transmisión. El Dk determina la velocidad de propagación de la señal en la línea. Por ejemplo, un material con un Dk menor tiene una velocidad de propagación mayor. El Df representa la pérdida de energía dentro del material a medida que la señal viaja por la línea de transmisión. Un Df más bajo indica una menor atenuación de la señal, especialmente a altas frecuencias.

Los dieléctricos más comunes son el aire y diversos plásticos. Un sustrato típico de placa de circuito impreso (placa ci) es un dieléctrico llamado retardante de llama 4 (FR-4), un compuesto de tela de fibra de vidrio tejida impregnada con resina epoxi ignífuga.

Las configuraciones de línea de transmisión estándar son cable coaxial, par trenzado, línea TEM con placa de circuito impreso y microstrip con placa de circuito impreso. Los dos conductores se identifican como las vías de señal y retorno. La tensión en una línea de transmisión se mide entre los conductores a lo largo de la línea y la corriente se mide a través de cualquiera de los conductores.

En la IS, una línea de transmisión es un componente eléctrico distribuido que transporta ondas electromagnéticas transversales (TEM) o cuasi TEM entre dos conductores. Estas ondas contienen campos eléctricos (E) y magnéticos (H) alternos que son perpendiculares a la dirección de desplazamiento de la onda (Figura 2).

Figura 2: Las líneas de transmisión propagan la energía a lo largo de la línea mediante campos eléctricos y magnéticos ortogonales alternos. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Un campo eléctrico cambiante genera un campo magnético cambiante como una serie alterna de transformaciones, propagando la onda TEM a lo largo de la línea de transmisión en una dirección perpendicular a ambos campos.

Las conexiones de las líneas de transmisión entre los elementos del circuito se configuran como conexiones unipolares o diferenciales (Figura 3).

Figura 3: Las líneas de transmisión pueden configurarse como unipolares (no equilibradas) utilizando una señal y un conductor de retorno o de tierra, o como diferenciales (equilibradas) con dos conductores de señal complementarios y un conductor de tierra. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Una configuración de un solo extremo utiliza una línea de señal y una línea de tierra. Las señales no son idénticas y la configuración se considera un modo de propagación desequilibrado. Una configuración diferencial utiliza dos líneas de señal complementarias y una línea de tierra, generalmente tendidas por separado. Las señales diferenciales son un ejemplo de modo de propagación equilibrado porque la señal de interés es la diferencia matemática entre los dos elementos de la señal.

Impedancia de la línea de transmisión

La impedancia eléctrica es la oposición de un circuito a una corriente debida a una tensión alterna aplicada, medida en ohmios (Ω). La impedancia es la relación compleja entre la tensión y la corriente en cada punto del conductor.

Las líneas de transmisión deben controlar su impedancia para transportar señales de alta velocidad y gran ancho de banda sin degradación por reflexiones. Su impedancia instantánea en cada punto de la línea es constante y se denomina impedancia característica. El ancho, el espaciado, la longitud y las propiedades dieléctricas entre las trazas y el plano de tierra controlan la impedancia de la línea de transmisión.

La impedancia característica puede considerarse como la resistencia a la transferencia de energía asociada a la propagación de ondas en una línea mucho más larga que la longitud de onda de la señal que se propaga.

Reflejos de señal

Si una señal se propaga a través de una línea de transmisión hasta una carga con una impedancia igual a la impedancia característica de la línea, la señal llega completamente a la carga. Si la impedancia de la carga difiere de la impedancia característica de la línea, parte de la energía que incide en la carga se refleja hacia la fuente.

La relación entre la amplitud de la tensión reflejada, V_R y la amplitud de la tensión incidente, V_I es el coeficiente de reflexión (figura 4). Depende de la impedancia de carga (Z_L) y de la impedancia característica de la línea de transmisión (Z_C).

Figura 4: El coeficiente de reflexión depende de la carga y de la impedancia característica de la línea de transmisión. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Las reflexiones son el resultado de la transición de una señal a través de un límite en el que los medios tienen impedancias diferentes (Figura 5). En cada interfaz, el coeficiente de reflexión determina la amplitud y la fase de la reflexión. La señal en el receptor es la suma de la señal transmitida y las reflexiones retardadas.

Figura 5: La señal transmitida está distorsionada por los componentes reflejados sumados con retardos de tiempo proporcionales a los retardos de propagación del trayecto de reflexión. (Fuente de la imagen: Amphenol)

La unión de Z₂ y Z₃ refleja parte de la señal incidente hacia el transmisor, mientras que la mayor parte de la energía incidente continúa hacia el receptor. La señal reflejada encuentra un desajuste en el camino inverso y se refleja parcialmente hacia el receptor. Los bordes de la señal se reflejan con una polaridad que depende de si la impedancia a través de la unión aumenta o disminuye. El momento de las reflexiones depende de la distancia física entre las uniones. El receptor ve la suma de la señal transmitida y todas las reflexiones.

Obsérvese que la señal recibida tiene niveles superior e inferior no uniformes debido a la suma de las reflexiones. Si las amplitudes de reflexión son suficientemente altas, pueden producirse errores al leer los datos. Uno de los objetivos fundamentales de la IS es la reducción de las anomalías de reflexión.

Pérdida de retorno y pérdida de inserción

Las líneas de transmisión se caracterizan tanto en el dominio de la frecuencia como en el del tiempo. Las reflexiones se miden como pérdida de retorno (RL) en unidades de decibelios (dB) en el dominio de la frecuencia (Figura 6). La parte de la potencia incidente que no llega a la carga se caracteriza por la pérdida de inserción (IL), también medida en dB. Una menor pérdida de inserción se traduce en una mejor conexión.

Figura 6: La pérdida de retorno mide la potencia reflejada en el dominio de la frecuencia, mientras que la pérdida de inserción mide la potencia recibida en la carga. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El parámetro que describe la pérdida de inserción en el cable coaxial a granel es la atenuación por unidad de longitud especificada como dB por pie (dB/ft) o dB por metro (dB/m).

Ruido

El ruido es cualquier señal no deseada que aparece en una línea de transmisión. Las reflexiones pueden considerarse un tipo de ruido que puede corromper la señal recibida. El ruido en una línea no transmisora puede recibirse como una señal falsa.

El ruido puede proceder de varias fuentes, como el ruido térmico, la radiación externa que incide en una línea de transmisión y el ruido de otra línea dentro del mismo dispositivo (diafonía). La energía de estas fuentes se suma a las señales de una línea de transmisión. El ruido se caracteriza por la relación señal/ruido (SNR), que es la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido en una línea de transmisión. Cuanto mayor sea la relación señal/ruido, mejor será la calidad de la señal.

Diafonía

La diafonía es una subcategoría de ruido no deseado que aparece en una línea de transmisión debido a interacciones con campos electromagnéticos (EM) procedentes de líneas adyacentes sin contacto directo. La diafonía se produce por el acoplamiento capacitivo o inductivo de línea a línea entre una línea agresora (portadora) y una línea víctima (receptor) (Figura 7).

Figura 7: La diafonía puede deberse al acoplamiento capacitivo de un cambio de tensión o al acoplamiento inductivo de un cambio de corriente de la línea de transmisión agresora a la víctima. (Fuente de la imagen: Amphenol)

La diafonía se etiqueta según el lugar donde la víctima siente el ruido acoplado. La diafonía cercana (NEXT) aparece en el lado del transmisor de una línea de transmisión o dispositivo bajo prueba (DUT), mientras que la diafonía lejana (FEXT) aparece en el lado del receptor.

La diafonía puede reducirse aumentando la distancia entre líneas de transmisión adyacentes, disminuyendo la longitud del trayecto, utilizando líneas diferenciales que cancelen el ruido común a ambas líneas, manteniendo perpendiculares las trazas de las capas adyacentes de la placa de circuito impreso e incorporando una toma de tierra integral y un blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI).

Resonancia

La resonancia se produce cuando el recorrido de una señal es múltiplo de un cuarto de la longitud de onda de la señal. En esos puntos, la señal reflejada se superpone a la onda incidente y amplifica o atenúa la señal transmitida. Las frecuencias correspondientes a estas longitudes de onda se denominan resonancias.

Las resonancias pueden causar ruido o distorsionar las señales y surgen debido a longitudes no terminadas de líneas de transmisión, llamadas stubs, en la ruta de la señal o retornos a tierra no ideales. La figura 8 muestra los efectos de resonancia debidos a stubs de varios tipos con dos longitudes diferentes en un canal de 12 gigabits por segundo (Gbps).

Figura 8: Se muestran ejemplos de efectos de resonancia debidos a stubs de líneas de transmisión de varios tipos con dos longitudes diferentes en un canal de 12 Gbps. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Los stubs resaltados con recuadros rojos tienen una longitud de 0.25 pulgadas (in), lo que da como resultado una frecuencia de resonancia de unos 6 gigahercios (GHz). Los tres trozos cortos situados bajo la casilla marcada en verde tienen una longitud de 0.025 in. Su frecuencia de resonancia es diez veces superior, es decir, 60 GHz. Ambas respuestas espectrales se muestran en el gráfico del analizador de espectro en la parte superior izquierda. El espectro rojo es la respuesta del stub de 0.25 in. mientras que el trazo verde es el del stub de 0.025 in; el stub de 0.25 in muestra una respuesta de "succión" centrada en 6 GHz con una amplitud muy baja.

El diagrama ocular de la esquina superior derecha superpone secuencias de varios bits de 011, 001, 100 y 110 para producir una medición SI gráfica. Mientras el ojo permanezca abierto, la transmisión se realiza correctamente. Los cierres verticales de los ojos se deben al ruido, las reflexiones y la diafonía. Los cierres de ojos horizontales están relacionados con problemas de sincronización como el jitter. La resonancia de 6 GHz causa el colapso del ojo debido a la pérdida de amplitud de la señal.

IS en las especificaciones de los componentes de interconexión

Los componentes de interconexión que soportan los procesadores de IA en los centros de datos incluyen cables coaxiales y de par trenzado, conectores y placas de circuito impreso (Figura 9). Estos componentes suelen especificarse en términos de impedancia característica y ancho de banda. Las especificaciones de la IS incluyen atenuación, factor de velocidad, pérdida de retorno, pérdida de inserción y diafonía.

Figura 9: El soporte de procesadores de IA en centros de datos requiere cables y conectores de alta velocidad para garantizar comunicaciones precisas y fiables entre los elementos. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Un ejemplo de cable coaxial es el cable de bajas pérdidas LMR-400-ULTRAFLEX de 50 Ω de Times Microwave Systems, apto para funcionamiento en interiores o exteriores a 6 GHz. Su atenuación en función de la frecuencia es de 0.05 dB/ft a 900 megahercios (MHz) y aumenta a 0.13 dB/ft a 5,8 GHz. Su velocidad de propagación, una especificación utilizada cuando se trata de reflexiones, es el 80% de la velocidad de la luz (un factor de velocidad de 0.8). Las pérdidas por reflexión y transmisión dependen de la longitud y no figuran en las especificaciones de los cables.

Componentes como los conectores se especifican de forma algo diferente. El conector de cabecera macho de 112 posiciones 10128419-101LF de Amphenol Communications Solutions está diseñado para su uso en backplane. Está preparado para gestionar señales digitales con una velocidad binaria máxima de 25 a 56 Gbps. Sus contactos tienen una impedancia característica de 92 Ω. Como conector multiconductor, sus especificaciones de pérdida de inserción y diafonía son críticas (Figura 10).

Figura 10: Se muestran las especificaciones significativas de pérdida de inserción y diafonía en función de la frecuencia para el cabezal 10128419-101LF. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Estas son las especificaciones de IS típicas asociadas a los componentes de interconexión.

Conclusión:

La IS debe tenerse en cuenta en todo el proceso de diseño de sistemas de alta velocidad como los centros de datos de IA. Son muchos los factores que pueden afectar a la IS y los diseñadores deben tenerlos todos en cuenta para mitigar sus efectos. La IS puede maximizarse con la disposición adecuada de las trazas en la placa de circuito impreso y los conductores y conectores apropiados.