Berechnung des Serienabschlusswiderstands

Bei Übertragungsleitungen scheinen einige Dinge nie einfach zu sein. Die Bestimmung der Abschlusstechnik und der Werte der Komponenten in einem Abschlussnetzwerk sollte keine schwierige Aufgabe sein. Die meisten PCB-Designprogramme zwingen Sie dazu, online nach Rechnern zu suchen, oder Sie müssen die Berechnungen von Hand durchführen. Stattdessen sollte Ihre Designsoftware es einfach machen, eine Reihe von Komponentenwerten in Ihrem Abschlussnetzwerk zu testen.

Einige Komponenten, Leiterbahnen, differentielle Paare und Verbindungen, die durch Vias verlaufen, sollten in Bezug auf die Impedanz abgeglichen sein, um zu verhindern, dass Effekte von Übertragungsleitungen in Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzschaltungen auftreten. Während Sie kleine Impedanzunterschiede tolerieren können, haben einige Signaltreiber eine Impedanz, die nicht dem standardmäßig verwendeten 50-Ohm-Wert für Signalleitungen entspricht. Man sollte beachten, dass einige Routing- und Computerarchitekturstandards (z.B. PCIe Gen 2 und Gen 3) auch einen anderen Wert für die Impedanz differentieller Paare verwenden.

Wenn Sie festgestellt haben, dass Ihre Leiterbahn anfängt, Effekte von Übertragungsleitungen zu zeigen. In diesem Artikel werde ich zeigen, wie man die Signalintegritätswerkzeuge in Altium Designer^® verwendet, um den richtigen Wert für einen Serienwiderstand zu bestimmen.

Welches Abschlussnetzwerk sollte ich verwenden?

Es gibt mehrere Antworten auf diese Frage, da es mehrere mögliche Netzwerke oder Abschlusswiderstände gibt. Für digitale Signale bevorzugen wir resistive Abschlusswiderstände, weil Widerstände Breitbandkomponenten sind. Sie können verwendet werden, um Treiber bis zu sehr hohen Bandbreiten abzuschließen, wenn sie direkt am Treiberpin eines ICs platziert werden. Im Gegensatz dazu würde ein HF-Ausgang oder eine Antenne ein LC-Netzwerk bevorzugen, weil wir keinen resistiven Leistungsverlust haben wollen, und die genaue Platzierung der Induktivität und des Kondensators (entweder in Serie oder als Shunt-Element) hängt davon ab, wie Sie die Impedanz verschieben müssen, um die Resonanzfrequenz anzupassen.

Bezüglich des resistiven Abschlusses werden zwei gängige Methoden verwendet: Serienabschluss (am Treiberpin platziert) und Parallelabschluss (am Empfänger zu GND platziert). Es gibt zwei wichtige Dinge, die man über die Auswirkungen des Serienabschlusses wissen sollte:

Einige Gründe für die Verwendung von Serienabschlusswiderständen am Treiber umfassen:

1. Wenn die Leitung lang genug ist, dass Sie Reflexionen von einer unbelasteten Last erwarten, wird ein Widerstand zwischen einem unbelasteten Treiber und der Leiterbahn benötigt, und die Impedanz des Signaltreibers ist kleiner als Ihre Leiterbahnimpedanz
2. Sie möchten die Dämpfung am Ausgang erhöhen, um das Auftreten von Grundschwingungen zu unterdrücken,NEXT, SSN, oder Oszillationen auf einer sehr kurzen Leitung
3. Wenn das vom Treiber erzeugte Signal verlangsamt werden muss, was bei einer schnellen Schnittstelle verwendet werden könnte implementiert in einem FPGA oder wenn die erzeugten Signale Steuersignale sind, die keinen kontinuierlichen Datenstrom liefern

Bei Punkt #1 können Sie einen Serienwiderstand am Ausgang Ihres Treibers platzieren, aber das ist sehr ungewöhnlich, es sei denn, ein standardmäßiger einseitiger digitaler Bus (wie SPI) wird über eine sehr lange Distanz verlegt und hat eine geringe Anstiegszeit. Punkt #1 könnte auch im Fall verwendet werden, wo spezielle HF-Komponenten eingesetzt werden, und diese Komponenten keine integrierte Abschlussimpedanz haben. Punkt #2 ist häufiger, besonders wenn das Signal von einem modernen Prozessor wie einem MCU, FPGA oder MPU bereitgestellt wird.

Wenn Sie festgestellt haben, dass Sie eine Serienabschlusswiderstand benötigen, wie beispielsweise aufgrund einer Berechnung der kritischen Länge, sollte das Widerstandspaket das kleinstmögliche Paket sein, das Sie auf der Platine montieren planen, und es ist am einfachsten, es genau am Ausgangspin des Treibers zu platzieren. Um den Serienwiderstand zu bestimmen, müssen Sie entweder die Quellenimpedanz bereits kennen oder Sie benötigen ein Simulationsmodell für den Ausgangspuffer des Treibers (wie IBIS). Wenn Sie die Ausgangsimpedanz der Quelle kennen, dann ist die Anforderung an die Impedanz des Serienabschlusses:

Hier ist, wie man es in der Simulation macht, wenn Sie die Logikfamilie kennen oder ein IBIS-Modell für den Ausgangspin des Treibers haben.

Bestimmung des Serienabschlusswiderstands

Die gängige Methode zur Bestimmung des Serienabschlusswiderstands aus der Simulation besteht darin, durch eine Reihe von Serienwiderstandswerten zu iterieren. Sobald Sie den Simulator ausführen, sehen Sie ein Diagramm, das zeigt, wie jeder Bauteilwert im Netzwerk Ihr Signal beeinflusst. Dies ermöglicht es Ihnen, visuell die besten Bauteilwerte für Ihr Abschlussnetzwerk zu bestimmen.

• Erfahren Sie mehr darüber, wie der Serienabschluss die Spannungspegel beeinflusst

Der unten beschriebene Prozess gilt sowohl für differentielle Signale als auch für einzelne Signale, die nicht Teil einer standardisierten Schnittstelle sind. Denken Sie daran, dass ein differentielles Signal als zwei separate einzelne Signale mit jeweils definiertem ungeradem Modus-Impedanz behandelt werden kann, sodass die unten gezeigte Serienabschlussmethode auch für eine Leiterbahn in einem Differentialpaar gilt, solange Sie die geringfügige Abweichung zwischen ungeradem Modus und einzelner Impedanz berücksichtigen.

Einrichtung des Signalintegritäts-Tools

Sobald Sie Ihr Schaltbild erfassen und Ihr Board layouten, sind Sie bereit, den geeigneten Abschlusswiderstand für Ihre Leiterbahnen zu bestimmen. Sobald Ihr Board vorbereitet ist, können Sie auf das Signalintegritäts-Tool in Altium Designer über das Menü Werkzeuge -> Signalintegrität… zugreifen.

Zugriff auf das Signalintegritäts-Tool in Altium Designer

Das Signalintegritäts-Tool muss eingerichtet werden, indem entweder die Logikfamilie für die Pins am Treiber und Empfänger ausgewählt wird, oder indem IBIS-Modelle zur Komponente hinzugefügt werden. Sie können auch den verwendeten Signalsignalreiz im Dialogfeld Signalintegrität ändern.

Sobald Sie das Signal Integrity-Tool geöffnet haben, sollten Sie das Signal Integrity-Dialogfeld sehen, das im Bild unten gezeigt wird. Hier müssen Sie auswählen, welche Signalleitungen Sie untersuchen möchten. Sie können die Signalleitungen, die Sie untersuchen möchten, doppelt anklicken, und diese werden zur Tabelle auf der rechten Seite des Dialogfelds hinzugefügt.

Netze und Abschlussnetzwerke für Ihre Signalintegritätssimulation auswählen

Sie werden auch eine Liste von Abschlussnetzwerken sehen. Im folgenden Beispiel werden wir zwei einzelne Spuren (NC1 und NC2) untersuchen. Beachten Sie, dass Sie die Anzahl der Durchläufe sowie die Parameter im Abschlussnetzwerk ändern können. Sie könnten auch eines der Differentialpaare (z.B. NC3_P und NC3_N) mit den hier vorgestellten Schritten untersuchen.

Ergebnisse für Einzelendleitungen

Wir werden uns ein Serienabschlussnetzwerk sowie das "Parallel Res & Cap zu GND" Abschlussnetzwerk ansehen. Beachten Sie, dass Sie die maximalen und minimalen Werte für Ihren Durchlauf sowie Ihre VCC-Spannung wählen können.

Hier können Sie die Werte der Abschlusswiderstände in Ihrem Anpassungsnetzwerk ändern

Nachdem Sie die Simulation eingerichtet haben, klicken Sie auf die Schaltfläche „Reflexionswellenformen…“, um die Simulation zu starten. Altium Designer wird durch die verschiedenen Widerstandswerte iterieren und eine Reihe von Diagrammen generieren. Die Ergebnisse für die Netze NC1 und NC2 sind in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

Signalreflexionsergebnisse für verschiedene Anpassungsnetzwerke

Aus den obigen Ergebnissen können wir sehen, dass der Serienanpassungswiderstand (die oberen zwei Diagramme) und die Kombination von Widerständen zu VCC und Masse tatsächlich nicht die besten Optionen für dieses Board sind. Beide Ergebnisse helfen, das Klingeln etwas zu reduzieren, aber wir müssen auch die langsame Anstiegszeit kompensieren. Daher sollten wir ein anderes Netzwerk ausprobieren und den Prozess wiederholen.

Hier können wir zurückgehen und das Netzwerk „Parallel Res & Cap to GND“ auswählen und überprüfen, wie dieses Netzwerk die Signale in den Netzen NC1 und NC2 beeinflusst. Die Ergebnisse für dieses Netzwerk werden unten angezeigt. Um die Werte für jede Komponente im Netzwerk zu sehen, klicken Sie einfach auf eine der Beschriftungen in der Legende auf der rechten Seite des Graphen. Bei diesem Board stellt sich heraus, dass das optimale Leitungsnetzwerk einen 56,67 Ohm Widerstand und einen 83,33 pF Kondensator verwendet (das rote Signal im unteren Graphen).

Signalreflexionsergebnisse für das Widerstand/Kondensator-Netzwerk

Prozess für ein differentielles Paar

Um ein differentielles Paar zu untersuchen, können Sie zum Dialog „Signalintegrität“ zurückkehren und jede Spur im differentiellen Paar untersuchen. Wenn wir die oben gezeigte Formel für die Serienabschlussimpedanz betrachten, müssen wir uns daran erinnern, dass die differentielle Impedanz in Bezug auf ihre ungerade Modusimpedanz definiert ist; das ist der Wert, der für den Serienwiderstandsabschluss verwendet wird. Da die charakteristische Impedanz einer Spur in einem differentiellen Paar immer größer als die ungerade Modusimpedanz ist, können wir die folgende Beziehung schreiben:

Basierend auf dieser Abweichung wird der erforderliche Serienwiderstandswert für eine Leiterbahn in einem differentiellen Paar etwas niedriger sein als der durch das Signalintegritätswerkzeug bestimmte Wert des Serienwiderstands:

Weiterführendes zur impedanzkontrollierten Verdrahtung

Ohne Zweifel ist es Ihre beste Wahl, impedanzkontrollierte Verdrahtung zu verwenden, damit Sie sicherstellen können, dass Ihre Leiterbahnen durchgehend konsistente Impedanzwerte auf Ihrem Board haben. Idealerweise hilft dies, die Notwendigkeit zu vermeiden, ein Abschlussnetzwerk auf jede einzelne Leiterbahn Ihres Boards anwenden zu müssen, was Ihnen eine erhebliche Menge an Entwurfszeit spart.

Das Bestimmen des richtigen Abschlussnetzwerks für Ihre PCB ist viel einfacher, wenn Sie mit einem PCB-Designpaket arbeiten, das Stromdesign- und Simulationstools enthält. Mit Altium Designer haben Sie vollständige Kontrolle über Ihre Schichtanordnung und das Design, und Ihre Simulationstools nehmen Daten direkt aus Ihrem Layout. Diese Tools sind direkt anpassbar an starre-flexible und Multi-Board-Systeme.

Laden Sie eine kostenlose Testversion von Altium Designer herunter, um zu sehen, wie die leistungsstarken Signalintegritätswerkzeuge Ihnen helfen können. Sie haben Zugang zu den besten Designfunktionen, die die Industrie in einem einzigen Programm verlangt. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.