Dämpfung und Reflexionsübertragung mit einem Serienabschlusswiderstand

Die Anpassung von Spur-, Quellen- und Lastimpedanz ist wichtig bei Platinen, die Übertragungsleitungen enthalten. Um diese Bedingungen zu erreichen, sieht man manchmal in einigen Designs einen Serienabschlusswiderstand bei einseitigen Übertragungsleitungen. Der Grund dafür ist manchmal, ein Signal zu verlangsamen, oder manchmal, um die Ausgangsimpedanz des Treibers einzustellen, je nachdem, wen man fragt.

So überraschend es auch sein mag, die Platzierung von Serienwiderständen zur Terminierung wird manchmal missverstanden. Einige der Fragen, die aufkommen, sind:

• Wann müssen Sie Serienwiderstände manuell platzieren?
• Wann können Sie sich darauf verlassen, einfach eine Übertragungsleitung auf eine Zielimpedanz zu entwerfen?
• Was tun Sie bei kurzen vs. langen Übertragungsleitungen?
• Wie spielen Lastkapazität und Bodenschwankungen eine Rolle bei der Signalintegrität mit einem Serienwiderstand?
• Gibt es einen Unterschied zwischen einseitigen und differentiellen Leitungen?
• Was sollte getan werden, wenn ein Signalstandard keine Impedanzanforderung hat (z.B. SPI oder I2C)

In diesem Artikel werde ich einige der oben genannten Fragen aus der Perspektive von schnellen GPIOs und seriellen Bussen betrachten. Wir sehen uns oft einen Standard wie SPI an und nehmen leicht an, dass keine Terminierung benötigt wird, weil keine Impedanzanforderung spezifiziert ist und der Bus langsam betrieben wird. Das ist nicht in allen Fällen wahr, und die Platzierung eines Terminierungswiderstands wird die Anstiegszeit des eingespeisten Signals, die Eingangsimpedanz der Leiterbahn und die Reduzierung des Überschwingens auf der Leitung beeinflussen.

Zwei Funktionen eines Serien-Terminierungswiderstands bei einseitigen Leitungen

Typische Gründe für die Verwendung einer Serienterminierung sind wie folgt:

• Der Bus hat keine Impedanzspezifikation
• Die Ausgangsimpedanz und das Signalniveau werden auf einen Zielwert für spezielle Logik angepasst
• Der Push-Pull-Treiber schaltet sehr schnell (kann so niedrig wie einige ns sein)
• Die Anstiegszeit des Signals, das am Empfänger gesehen wird, hängt von der Lastkapazität ab
• Die Ausgangsimpedanz vom Treiber ist typischerweise niedrig
• Es gibt ein Klingeln auf der Leitung

Der letzte Punkt könnte durch zwei Faktoren verursacht sein: Reflexion auf einer langen Übertragungsleitung oder Anregung einer transienten Antwort auf einer kurzen Leitung. Ersteres ist mit Impedanzfehlanpassung verbunden, während letzteres stattdessen mit denselben Faktoren zusammenhängt, die Bodenreflexionen verursachen.

Reflexion auf einer langen Leitung: Serienabschluss wird manchmal am Ursprung verwendet, da die Ausgangsimpedanz des Treibers immer geringer ist als die einseitige Impedanz der Übertragungsleitung. Im Idealfall beträgt die Ausgangsimpedanz 0 Ohm, aber im Allgemeinen wird sie einen kleinen, nicht nullwertigen Wert haben. Die einfachste Methode, den Wert des Abschlusswiderstands zu bestimmen, besteht darin, die Ausgangsimpedanz von der Impedanz der Übertragungsleitung abzuziehen:

Dämpfung auf einer kurzen resonierenden Leitung: Ein Serienabschlusswiderstand kann verwendet werden, um die Dämpfungskonstante im äquivalenten Schaltkreis für eine Übertragungsleitung zu erhöhen. Wenn der Serienabschlusswiderstand genau den richtigen Wert annimmt, können Sie jede transiente Schwingung, die in einer kurzen Leitung auftreten kann, kritisch dämpfen:

Beachten Sie, dass Z(Dämpfung) nicht immer gleich Z(TL) ist. Beide Fälle hängen davon ab, die Ausgangsimpedanz des Treibers zu kennen.

Zum Beispiel, wenn die Ausgangsimpedanz Ihres Treibers im EIN- und AUS-Zustand jeweils von 20 bis 30 Ohm variiert, dann ist der beste Serienabschlusswiderstand, den Sie verwenden können, 25 Ohm. Dies definiert eine Impedanz von 45 bis 55 Ohm an der Quelle, was Sie gut innerhalb einer +/- 10% Variation eines 50 Ohm Leitungsimpedanzziels platziert, vorausgesetzt, es gibt keine anderen Faktoren, die Impedanzvariationen der Ausgabe verursachen. Danke an Dr. Howard Johnson dafür, dass er dies hervorgehoben hat.

Serienwiderstand in kurzen resonierenden einseitigen Leitungen

In einer kurzen einseitigen Übertragungsleitung steigt das Signal im Allgemeinen über die gesamte Übertragungsleitung an. Das bedeutet, dass die Lastkapazität geladen wird, während das Signal noch in die Übertragungsleitung eingespeist wird. In diesem Fall würden wir sagen, dass die Übertragungsleitung unter ihrer kritischen Länge liegt. In diesem Fall hat die Lastkapazität hier zwei Auswirkungen:

1. Die Lastkapazität trägt zur gesamten Kapazität bei, die vom Signal gesehen wird
2. Wenn es überschüssige Induktivität im Signalweg gibt, kann es zu starkem Grundrauschen kommen

Bezüglich der Modellierung der Antwort kann man den Kanal als einen zusammengefassten RLC-Kreis behandeln, wie unten gezeigt. Der zusammengefasste RLC-Kreis umfasst die Gesamtinduktivität von L1 + L2, wenn AUS geschaltet, oder L3 + L2, wenn EIN geschaltet; die Kapazität kommt von der Lastkapazität und der Leiterplattenkapazität. Normalerweise ignorieren wir R1 bei der Analyse, da der Widerstand im EIN-Zustand sehr niedrig sein wird (mOhm-Wert).

Wenn Sie das äquivalente RLC-Modell analysieren, das eine Übertragungsleitung mit einem Serienabschlusswiderstand definiert, können Sie schnell das Dämpfungsniveau bestimmen, das durch die Anwesenheit eines Serienabschlusswiderstands bereitgestellt wird. Da es sich hierbei um einen RLC-Schaltkreis handelt, kann er eine Schwingung aufweisen, die sich über das EIN- oder AUS-Signalniveau überlagert. Diese Transiente wird als hochfrequentes Überschwingen am Empfänger gesehen, daher wäre es wünschenswert, dieses Überschwingen zu dämpfen, wenn möglich.

Wenn die Übertragungsleitung kritisch gedämpft ist, wird eine transiente Schwingung vollständig unterdrückt und gleichzeitig die schnellste Anstiegszeit beibehalten. Wie würden Sie Dämpfung hinzufügen? Sie würden es mit einem Serienwiderstand tun, und ein richtig gewählter Serienwiderstand wird Sie zur kritischen Dämpfung führen. Wenn Sie die transiente Schwingungsfrequenz und Dämpfung in diesem RLC-Modell berechnen, können Sie den Wert des Serienabschlusswiderstands bestimmen, der erforderlich ist, um eine kritische Dämpfung zu erzeugen:

Ist es tatsächlich möglich, die Antwort kritisch zu dämpfen? Die Antwort lautet "vielleicht"...

Man kann sofort sehen, dass die Ausgangsimpedanz der Quelle und der Serienabschlusswiderstand fast doppelt so groß sein könnten wie die äquivalente Impedanz des Kanals, um eine kritische Dämpfung zu erreichen, insbesondere wenn die Quellenimpedanz sehr klein ist. Beachten Sie, dass wir die folgenden Parameter haben, die uns die gesamte Induktivität und Impedanz geben:

• C(line) - Typischerweise 2 bis 3 pF/Zoll
• C(load) - Irgendwo zwischen 1 und 10 pF (könnte größer sein)
• L(line) - Typischerweise 5 bis 10 nH/Zoll
• L(1) und L(3) - In der Größenordnung von ~1 nH aufgrund von Vias und Leadframe
• Z(source) - Vielleicht bis zu 20 Ohm für einen typischen Push-Pull-Bus, der keine Impedanzspezifikation hat

Da sich diese Parameter im Zähler und im Nenner addieren, können wir sehen, dass der Serienwiderstand mindestens gleich der charakteristischen Impedanz sein muss, um eine kritische Dämpfung zu erreichen. Offensichtlich könnte man aufgrund des Leistungsverlusts über den Serienwiderstand am Empfänger nicht genug Signal haben, um den Logikzustand zu wechseln. Meiner Meinung nach sind kleinere Widerstände (22 oder 33 Ohm) besser und ich sehe sie häufig bei vielen Designs.

Beispiel an einer elektrisch kurzen (1 Zoll) Leitung

Lassen Sie uns ein Beispiel betrachten:

1. Nehmen wir im obigen Beispiel an, dass Masse und Strom über Vias verbunden sind, mit L(Via) = 1 nH. Wenn wir eine 1 Zoll lange Leitung mit C(Last) = 4 pF, L(Leitung) = 7,5 nH/Zoll und C(Leitung) = 3 pF/Zoll haben. Der gesamte erforderliche Quellenwiderstand, um eine kritische Dämpfung zu erreichen, beträgt 70 Ohm.
2. Wenn die Ausgangsimpedanz des I/O 10 Ohm beträgt, dann müsste der Serienwiderstand 60 Ohm betragen
3. Die gedämpfte Resonanzfrequenz wird 646 MHz sein, was zu einer untergedämpften Schwingungsperiode von 1,55 ns führt.

Da die charakteristische Impedanz der Leitung auf 50 Ohm abzielt und man die Resonanz auf einem Oszilloskop sieht, könnte man natürlich annehmen, dass das Klingeln von Reflexionen herrührt und eine 40 Ohm Serienwiderstandsterminierung das Klingeln beseitigen wird. In Wirklichkeit, da das Klingeln tatsächlich auf eine angeregte Resonanz in der kurzen Leitung zurückzuführen ist, tritt eine vollständige Dämpfung des Klingelns nicht auf, es sei denn, man verwendet einen überdimensionierten Serienwiderstand.

Dämpfung und Anpassung haben einen Kompromiss

Das oben Genannte veranschaulicht, dass es einen Kompromiss zwischen Dämpfung und Impedanzanpassung gibt: Man kann nicht gleichzeitig die Antwort kritisch dämpfen und die Impedanz perfekt anpassen, ohne etwas Leistung am Serienwiderstand zu verlieren. Wenn Sie die Quellenimpedanz genau an die Impedanz der Übertragungsleitung anpassen, dann erzeugen Sie zwei Probleme:

• Es entsteht eine unterdämpfte Schwingung, wenn der Treiber schaltet.
• Es geht etwas Leistung über den Serienwiderstand verloren, und es ist möglich, dass Sie die korrekte Spannung an der Last nicht registrieren, es sei denn, die Last hat eine hohe Impedanz, wie durch ihre Lastkapazität definiert.

Deshalb entscheiden wir uns stattdessen für einen Bypass-Kondensator als Lösung für dieses Problem. Das resultierende Modell würde wie unten aussehen, wobei der Bypass-Kondensator effektiv in Serie geschaltet ist, um transiente Schwingungen und Bodenreflexionen zu kompensieren.

Eliminieren Bypass-Kondensatoren die Notwendigkeit eines Serienwiderstands? Auch hier lautet die Antwort "vielleicht". Ich würde argumentieren, dass Sie den folgenden Prozess durchlaufen sollten:

1. Wenden Sie zuerst den empfohlenen oder berechneten Bypass-Kondensator an
2. Das Datenblatt für Ihren Single-Ended-Treiber sollte einen Anstiegszeitwert im Verhältnis zur Empfängerlastkapazität enthalten
3. Auf Basis der Lastkapazität in Ihrem Design, bestimmen Sie, ob die Flankensteilheit zu schnell ist, um niedriges Rauschen zu gewährleisten
4. Wenn die Flankensteilheit zu schnell ist, Sie länger als die kritische Länge sind, oder Sie immer noch ein übermäßiges Überschwingen bei niedriger Lastkapazität hätten, fügen Sie einen kleinen Serienwiderstand hinzu.

Diese Punkte sind wichtig, da einige Prozessoren fortschrittlicher werden mit kleinerem Formfaktor. Diese Geräte werden einen anhaltenden Trend zu niedrigeren Lastkapazitäten zeigen, was zu schnelleren Flankensteilheiten bei einfachen Bussen wie SPI führt.

Kompromiss finden

Der Punkt aus der obigen Diskussion ist: Es wird immer ein bisschen Oszillation am ansteigenden Signalrand geben, und das Überschwingen kann größer sein, wenn die Flankensteilheit schneller ist. Dies kann mit manuell platzierten Serienabschlüssen verlangsamt werden, aber wahrscheinlich nicht vollständig eliminiert werden, nur durch die Verwendung eines Serienwiderstands. Stattdessen bevorzugen wir einen Bypass-Kondensator als ersten Schritt zur Reduzierung transienter Antworten, dann könnten wir einen Serienwiderstand verwenden, aber nur, wenn der Bus keine Impedanzspezifikation hat.

Die richtige Kompromissfindung zwischen Dämpfung und Impedanzanpassung erfordert wirklich die Berücksichtigung der Rauschmarge am Empfänger. Wenn der Empfänger eine große Rauschmarge hat, dann können Sie höchstwahrscheinlich nach der charakteristischen Impedanz entwerfen, ohne sich um Überschwingen zu sorgen; Sie werden kein unfreiwilliges Schalten induzieren oder in den undefinierten Bereich Ihrer Logikfamilie eintreten. Wenn die Rauschmarge eng ist, dann müssen Sie vielleicht eine leichte Fehlanpassung und eine Reduzierung der Leistungsübertragung von der Quelle zulassen und einen größeren Widerstand verwenden, was die Antwort näher an die kritische Dämpfung bringt. Obwohl dies die Amplitude der transienten Schwingung reduziert, erhöht es auch etwas die Anstiegszeit, was die Einricht- und Haltezeit des Empfängers verletzen könnte.

Aufgrund des zuvor erwähnten Problems, bei dem die Ausgangsimpedanz eines Treibers im EIN- und AUS-Zustand unterschiedlich sein kann, könnten Sie in der Lage sein, eine Kante des Pulses kritisch zu dämpfen, während die andere Kante beim Schalten etwas klingelt. Wenn die Last ein Hoch-Z-Empfänger ist, der keine Terminierung benötigt, dann können Sie sogar eine Reflexion haben, die auf einer oder beiden Kanten des Pulses eine treppenstufenartige Antwort erzeugt.

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