Aprenda os fundamentos da integridade do sinal

A ascensão de datacenters de alto desempenho para dar suporte à inteligência artificial (IA) torna a integridade do sinal (SI) fundamental para que uma abundância de dados possa ser movida a taxas cada vez maiores. Para garantir a SI, os projetistas devem minimizar as reflexões, o ruído e a diafonia por meio da atenção ao layout da placa e da utilização de condutores e conectores adequados. Devem também compreender princípios fundamentais como linhas de transmissão, impedância, perda de retorno e ressonância.

Este artigo apresenta alguns dos termos utilizados no debate sobre a SI e o que os projetistas devem ter em conta. Em seguida, apresenta soluções exemplares de cabos e conectores da Amphenol para mostrar como eles podem garantir o sucesso do projeto.

Linhas de transmissão

Uma linha de transmissão consiste em dois (ou às vezes três) condutores com comprimento diferente de zero, separados por um dielétrico (Figura 1). Os condutores transportam sinais elétricos entre elementos do circuito com o mínimo de perdas ou distorção. Os condutores comuns são metais como o cobre, que têm uma elevada condutividade elétrica, excelente transmissão e baixas perdas de energia a um custo relativamente baixo. O ouro é um excelente condutor, mas devido ao seu elevado custo, a sua utilização está limitada a aplicações que requerem uma elevada resistência à corrosão, como pinos e soquetes. Foram desenvolvidos outros metais e ligas para aplicações específicas ou caraterísticas dos materiais.

Figura 1: As linhas de transmissão consistem em condutores separados por um dielétrico. Os condutores podem ser paralelos ou concêntricos. (Fonte da imagem: Amphenol)

Os dielétricos são materiais não condutores que separam os condutores isolando a área ao redor de suas geometrias condutoras. As propriedades dos dielétricos afetam a forma como os sinais viajam pelos condutores adjacentes.

A constante dielétrica (Dk) e o fator de dissipação (Df) são caraterísticas importantes dos dielétricos que têm impacto nas linhas de transmissão. O valor de Dk determina a velocidade de propagação do sinal na linha. Por exemplo, um material com um valor de Dk mais baixo tem uma velocidade de propagação mais elevada. O valor de Df representa a perda de energia dentro do material à medida que o sinal percorre a linha de transmissão. Um valor de Df mais baixo indica uma menor atenuação do sinal, especialmente em frequências altas.

Os dielétricos comuns são o ar e diversos plásticos. Um substrato típico da placa de circuito impresso (PCI) é um dielétrico denominado retardador de chama 4 (FR-4), um composto de tecido de fibra de vidro impregnado com resina epóxi retardadora de chama.

As configurações padrões da linha de transmissão são o cabo coaxial, o par trançado, trilhas do tipo stripline e microstrip na PCI. Os dois condutores são identificados como os caminhos de sinal e de retorno. A tensão numa linha de transmissão é medida entre os condutores ao longo da linha, e a corrente é medida através de qualquer um dos condutores.

Em SI, uma linha de transmissão é um componente elétrico distribuído que transporta ondas eletromagnéticas transversais (TEM) ou quase-TEM entre dois condutores. Estas ondas contêm campos elétricos (E) e magnéticos (H) alternados que são perpendiculares à direção de deslocamento da onda (Figura 2).

Figura 2: As linhas de transmissão propagam a energia ao longo da linha utilizando campos elétricos e magnéticos ortogonais e alternados. (Fonte da imagem: Amphenol)

Um campo elétrico variável cria um campo magnético variável como uma série alternada de transformações, propagando a onda TEM ao longo da linha de transmissão numa direção perpendicular a ambos os campos.

As conexões da linha de transmissão entre os elementos do circuito são configuradas como conexões de simples ou diferenciais (Figura 3).

Figura 3: As linhas de transmissão podem ser configuradas como de terminal simples (não balanceado) usando um sinal e um condutor de retorno ou terra, ou como terminais diferenciais (balanceados) com dois condutores de sinal complementares e um condutor de terra. (Fonte da imagem: Amphenol)

Uma configuração de terminal simples utiliza uma linha de sinal e uma linha de terra. Os sinais não são idênticos e a configuração é considerada um modo de propagação desbalanceado. Uma configuração diferencial utiliza duas linhas de sinal complementares e uma linha de terra, geralmente com funcionamento separado. Os sinais diferenciais são um exemplo de um modo de propagação balanceado, pois o sinal de interesse é a diferença matemática entre os dois elementos de sinal.

Impedância da linha de transmissão

A impedância elétrica é a oposição de um circuito a uma corrente devido a uma tensão alternada aplicada, medida em ohms (Ω). A impedância é a relação complexa entre a tensão e a corrente em cada ponto ao longo do condutor.

As linhas de transmissão devem controlar a sua impedância para transportar sinais de alta velocidade/alta largura de banda sem degradação devido a reflexões. A sua impedância instantânea em cada ponto da linha é constante e designada como impedância caraterística. A largura, o espaçamento, o comprimento e as propriedades dielétricas entre as trilhas e o plano de terra controlam a impedância da linha de transmissão.

A impedância caraterística pode ser considerada como a resistência à transferência de energia associada à propagação de ondas numa linha muito mais longa do que o comprimento de onda do sinal de propagação.

Reflexões do sinal

Se um sinal é propagado através de uma linha de transmissão para uma carga com uma impedância igual à impedância caraterística da linha, o sinal é totalmente entregue à carga. Se a impedância da carga for diferente da impedância caraterística da linha, então parte da energia incidente na carga é refletida de volta para a fonte.

A razão entre a amplitude da tensão refletida, V_R, e a amplitude da tensão incidente, V_I, é o coeficiente de reflexão (Figura 4). Depende da impedância da carga (Z_L) e da impedância caraterística da linha de transmissão (Z_C).

Figura 4: O coeficiente de reflexão depende da carga e da impedância caraterística da linha de transmissão. (Fonte da imagem: Amphenol)

As reflexões resultam da transição de um sinal em uma borda, onde os meios não apresentam um casamento de impedância (Figura 5). Em cada interface, o coeficiente de reflexão determina a amplitude e a fase da reflexão. O sinal no receptor é a soma do sinal transmitido e das reflexões com atraso.

Figura 5: O sinal transmitido é distorcido pelos componentes refletidos, somados com atrasos proporcionais aos atrasos de propagação do caminho da reflexão. (Fonte da imagem: Amphenol)

A junção de Z₂ e Z₃ reflete parte do sinal incidente de volta para o transmissor, enquanto a maior parte da energia incidente continua para o receptor. O sinal refletido encontra um descasamento no caminho inverso e é parcialmente refletido de volta para o receptor. As bordas do sinal são refletidas com uma polaridade que depende do aumento ou diminuição da impedância na junção. A temporização das reflexões depende da distância física entre as junções. O receptor enxerga a soma do sinal transmitido e de todas as reflexões.

Observe que o sinal recebido tem níveis superiores e inferiores não uniformes devido à adição das reflexões. Se as amplitudes de reflexão forem altas o suficiente, podem ocorrer erros ao ler os dados. Um dos objetivos críticos em SI é a redução das anomalias de reflexão.

Perda de retorno e perda de inserção

As linhas de transmissão são caracterizadas nos domínios da frequência e do tempo. As reflexões são medidas como perda de retorno (RL) em unidades de decibéis (dB) no domínio da frequência (Figura 6). A parte da potência incidente que não chega na carga é caracterizada pela perda de inserção (IL), também medida em dB. Uma menor perda de inserção se traduz em uma melhor conexão.

Figura 6: A perda de retorno mede a potência refletida no domínio da frequência, enquanto a perda de inserção mede a potência recebida na carga. (Fonte da imagem: Art Pini)

O parâmetro que descreve a perda de inserção no volumoso cabo coaxial é a atenuação por unidade de comprimento especificada como dB por pé (dB/ft.) ou dB por metro (dB/m).

Ruído

O ruído é qualquer sinal indesejável que aparece numa linha de transmissão. As reflexões podem ser vistas como um tipo de ruído que pode corromper o sinal recebido. O ruído numa linha não transmissora pode ser recebido como um sinal falso.

O ruído pode vir de várias fontes, como ruído térmico, radiação externa atingindo uma linha de transmissão e ruído de outra linha dentro do mesmo dispositivo (diafonia). A energia proveniente destas fontes é adicionada aos sinais numa linha de transmissão. O ruído é caracterizado pela relação sinal/ruído (SNR), que é a relação entre a potência do sinal e a potência do ruído numa linha de transmissão. Quanto maior for a relação sinal/ruído, melhor será a qualidade do sinal.

Diafonia

A diafonia é uma subcategoria de ruído indesejado que surge numa linha de transmissão devido a interações com campos eletromagnéticos (EM) provenientes de linhas adjacentes sem contato direto. A diafonia é causada pelo acoplamento capacitivo ou indutivo de linha a linha entre uma linha agressora (portadora) e uma linha vítima (receptora) (figura 7).

Figura 7: A diafonia pode ser causada pelo acoplamento capacitivo de uma mudança de tensão ou pelo acoplamento indutivo de uma mudança de corrente do agressor para a linha de transmissão da vítima. (Fonte da imagem: Amphenol)

A diafonia é rotulada de acordo com o local onde a vítima sente o ruído acoplado. A diafonia próxima (NEXT) aparece no lado do transmissor de uma linha de transmissão ou dispositivo em teste (DUT), enquanto a diafonia distante (FEXT) aparece no lado do receptor.

A diafonia pode ser reduzida aumentando a distância entre linhas de transmissão adjacentes, diminuindo o comprimento do percurso, utilizando linhas diferenciais que cancelam o ruído comum a ambas as linhas, mantendo as trilhas perpendiculares nas camadas adjacentes da PCI e incorporando o aterramento integral e uma blindagem contra interferências eletromagnéticas (EMI).

Ressonância

A ressonância ocorre quando o caminho de um sinal é múltiplo de um quarto do comprimento de onda do sinal. Nesses pontos, o sinal refletido sobrepõe-se à onda incidente e amplifica ou atenua o sinal transmitido. As frequências correspondentes a estes comprimentos de onda são designadas como ressonâncias.

As ressonâncias podem causar ruído ou distorcer sinais, e surgem devido a linhas de transmissão compridas e sem terminações, ou seja, as ramificações, no caminho do sinal ou retornos de terra não ideais. A Figura 8 mostra os efeitos de ressonância devidos a ramificações de vários tipos com dois comprimentos diferentes num canal de 12 gigabits por segundo (Gbps).

Figura 8: São mostrados exemplos de efeitos de ressonância devido a ramificações da linha de transmissão de vários tipos com dois comprimentos diferentes num canal de 12 Gbps. (Fonte da imagem: Amphenol)

As ramificações destacadas nos retângulos vermelhos têm um comprimento de 6,35 milímetro (mm), resultando numa frequência de ressonância de cerca de 6 gigahertz (GHz). As três ramificações curtas sob a caixa verde marcada têm um comprimento de 0,635 mm. A sua frequência de ressonância é dez vezes superior, ou seja, 60 GHz. Ambas as respostas espectrais são mostradas no gráfico do analisador de espetro no canto superior esquerdo. O espetro vermelho é a resposta da ramificação de 6,35 mm, enquanto que o traço verde é o da ramificação de 0,635 mm; a ramificação de 6,35 mm mostra uma resposta com queda abrupta centrada em 6 GHz com uma amplitude muito baixa.

O diagrama de olho no canto superior direito sobrepõe sequências de múltiplos bits de 011, 001, 100 e 110 para produzir uma medição gráfica da SI. Desde que o olho permaneça aberto, a transmissão é bem sucedida. Os fechamentos verticais do olho devem-se a ruído, reflexões e diafonia. Os fechamentos horizontais do olho estão relacionados com problemas de temporização, como o jitter. A ressonância de 6 GHz resulta no colapso do olho devido à perda de amplitude do sinal.

SI nas especificações dos componentes de interligação

Os componentes de interligação que suportam os processadores de IA nos datacenters incluem cabos coaxiais e de par trançado, conectores e PCIs (Figura 9). Estes componentes são normalmente especificados em termos de impedância caraterística e largura de banda. As especificações SI incluem atenuação, fator de velocidade, perda de retorno, perda de inserção e diafonia.

Figura 9: O suporte a processadores de IA em datacenters exige cabos e conectores de alta velocidade para garantir comunicações precisas e confiáveis entre os elementos. (Fonte da imagem: Amphenol)

Um exemplo de cabo coaxial é o cabo de baixa perda de 50 Ω LMR-400-ULTRAFLEX da Times Microwave Systems, dimensionado para funcionamento interno ou externo a 6 GHz. A sua atenuação dependente da frequência é de 0,164 dB/m a 900 megahertz (MHz) e aumenta para 0,427 dB/m a 5,8 GHz. A sua velocidade de propagação, uma especificação utilizada quando se trata de reflexões, é de 80% da velocidade da luz (um fator de velocidade de 0,8). As perdas por reflexão e transmissão dependem do comprimento e não são indicadas nas especificações dos cabos.

Componentes como os conectores são especificados de forma um pouco diferente. O conector de barra de pinos de 112 posições 10128419-101LF da Amphenol Communications Solutions destina-se a ser utilizado em backplane. É dimensionado para lidar com sinais digitais com uma taxa de bits máxima de 25 a 56 Gbps. Seus contatos têm uma impedância característica de 92 Ω. Sendo um conector de vários condutores, as suas especificações de perda de inserção e diafonia são críticas (Figura 10).

Figura 10: São apresentadas as especificações de perda de inserção significativa e diafonia em função da frequência para a barra de pinos 10128419-101LF. (Fonte da imagem: Amphenol)

Estas são especificações típicas de SI associadas a componentes de interligação.

Conclusão

A SI deve ser considerada em todo o processo de projeto de sistemas de alta velocidade, como os datacenters de IA. Muitos fatores podem afetar a SI, e os projetistas devem considerar todos eles para mitigar seus efeitos. A SI pode ser maximizada com o layout adequado das trilhas da PCI e os condutores e conectores apropriados.