Wie man: Impedanzanpassung und Terminierung kapazitiver Lasten durchführt

Für diejenigen unter Ihnen, die den Youtube-Kanälen von Altium Aufmerksamkeit schenken, wissen Sie, dass Signalintegrität ein heißes Thema ist und viele Fragen aufwirft. Kürzlich erhielt ich eine interessante Frage von einem Zuschauer, die sich um das Terminieren kapazitiver Lasten drehte:

Ich sehe, dass es viele großartige Videos über Impedanzanpassung und das Design der Leiterbahnbreite gibt, um sie an jede eingehende Kabelimpedanz anzupassen, aber was ist mit der Anpassung an kapazitive Lasten?

Aktuelle Generationen von MOSFETs und GaN HEMTs sind mittlerweile in der Lage, Schaltvorgänge unter 100 ns durchzuführen, und daher habe ich das Gefühl, dass die Anpassung an das Gate eines Leistungsbauteils in Zukunft ein viel größeres Thema werden wird…

Wie ich unten erklären werde, ist die Idee einer rein kapazitiven Last etwas irreführend. Ja, Kondensatoren existieren, aber alle Kondensatoren sind nicht-ideal, und es ist diese Abweichung von einer theoretischen Kapazität, die bestimmt, wie man eine Last, die kapazitives Verhalten zeigt, in Bezug auf die Impedanz anpasst. Lassen Sie uns einen Blick auf diesen wichtigen Aspekt des Verbindungsdesigns werfen und sehen, was es wirklich bedeutet, eine kapazitive Last zu terminieren.

Was ist eine kapazitive Last?

Sehr einfach ausgedrückt, existieren rein kapazitive Lasten nicht. Selbst Kondensatorbänke sind nicht wirklich „kapazitive“ Lasten, zumindest nicht aus der Perspektive der Blindleistung. In der Elektronik, und speziell auf Leiterplatten, erscheint eine Last nur in einem bestimmten Frequenzbereich als kapazitiv, und die Kapazität muss nicht durch absichtlich platzierte Kondensatoren entstehen.

Stattdessen, in der Elektronik, wenn wir sagen, eine Last ist kapazitiv, beziehen wir uns meist auf die Impedanz eines Bauteils, oder spezifisch auf dessen Eingangsimpedanz. Eine kapazitive Eingangsimpedanz verringert sich generell mit steigender Frequenz und verursacht, dass der Strom in der Phase dem Spannung vorausgeht. Einige Beispiele umfassen:

• RC-Schaltungen oder einige RLC-Schaltungen
• I/Os auf integrierten Schaltkreisen
• Das Gate-Terminal auf MOSFETs
• Stubs auf Übertragungsleitungen, abhängig von ihrer Länge und Terminierung
• Impedanzanpassungsnetzwerke

Mit anderen Worten, das Element wird als Kondensator approximiert, auch wenn es sich nicht genau so verhält. Mit diesem Verständnis wollen wir zwei Hauptfälle erkunden, in denen kapazitive Impedanz und Terminierung betrachtet werden: Schmalbandige analoge Signale und Breitband-Digitalsignale.

Analoge Signale

Wenn Sie nur bei einer bestimmten Frequenz oder einem sehr engen Frequenzbereich arbeiten, dann sollten Sie eine Standard-LC-Filter-Schaltung verwenden. Insbesondere wird normalerweise eine Gruppe von zwei Kondensatoren oder ein L-Filter verwendet, um das zu bestimmen. Der Schlüssel hierbei ist folgender: der Realteil der Lastimpedanz muss größer als Null sein. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass bei einer realen Last diese nicht rein kapazitiv sein wird.

Um eine vollständige Impedanzanpassung eines gesamten Verbindungsstücks durchzuführen, sollten Sie den folgenden Prozess verwenden:

1. Bestimmen Sie die erforderliche LC-Filter-Schaltung, um die (Last + Filter) äquivalente Impedanz auf die Zielimpedanz einzustellen. Dies lässt sich leicht mit einer Serien-/Parallelumwandlung durchführen und indem man die L- und C-Werte löst.
2. Berechnen Sie die Eingangsimpedanz für Ihre spezielle Übertragungsleitung, wie sie am Eingangsende gesehen wird, unter Verwendung der Standardformel.
3. Stellen Sie die Quellenimpedanz so ein, dass sie mit der in Schritt 2 berechneten Eingangsimpedanz übereinstimmt.

Die verschiedenen Impedanzen, die für eine kapazitive Last verwendet werden, sind unten dargestellt. Typischerweise wird das Anpassungsnetzwerk ein L-Match-Netzwerk oder ein Paar von Kondensatoren/Induktoren in einer Pi-Anordnung mit der Last sein. Der Entwickler kann im Anpassungsnetzwerk eine Hochpass- oder Tiefpassfunktionalität wählen und eine Schaltungsanalyse durchführen, um Zeq zu erhalten.

Schritt 1 ist grundlegend in der Schaltungsanalyse, daher werde ich hier keine vollständige Erklärung zeigen, das werde ich wahrscheinlich in einem anderen Artikel behandeln. Eine großartige Anleitung finden Sie unter diesem Link (beginnend auf Seite 3). In Schritt 2 wird die Ziel-(äquivalente) Impedanz, die Sie in Schritt 1 berechnet haben, als Last in der Berechnung der Eingangsimpedanz in Schritt 2 verwendet. Schließlich müssen Sie in Schritt 3 möglicherweise ein zusätzliches Anpassungsnetzwerk anwenden, um die Quellenimpedanz an die (Leitungs- + Filter-) Eingangsimpedanz anzupassen.

Anpassung an die Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung

Ich habe oben erwähnt, dass die Quelle möglicherweise an den Eingang angepasst werden muss. Was ich meine ist, wenn die Leitung etwas länger als das Limit für eine elektrisch kurze Leitung ist und es eine gewisse Restfehlanpassung gibt, kann die Eingangsimpedanz der (Leitung + Filter) deutlich von der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung abweichen. Daher müssen Sie die Ausgangsimpedanz der Quelle so einstellen, dass sie mit der Eingangsimpedanz der Leitung bei der erforderlichen Frequenz übereinstimmt. Dies wird mit einem weiteren Anpassungsnetzwerk durchgeführt (siehe unten). Das kann so einfach sein wie ein Serienwiderstand, obwohl es in reaktiven Schaltungen mit einer Übertragungsleitung manchmal sinnvoll ist, auch einen LC-Schaltkreis zur Impedanzanpassung bei der erforderlichen Frequenz zu verwenden.

Vielleicht denken Sie: Warum kann ich nur Induktoren und Kondensatoren verwenden, um an eine beliebige kapazitive Last anzupassen, wenn ich eine reale Lastimpedanz haben muss? Die Wahrheit ist, dass die Lastimpedanz einen sehr kleinen Realteil haben wird. Selbst für gedruckte Komponenten oder beliebige Impedanzen wird der Lastkreis immer irgendwo im Schaltkreis einen parasitären Widerstand haben. Dies wird an den Komponentenanschlüssen, den PCB-Leiterbahnen und jeder anderen Struktur im PCB-Layout, die zur Herstellung einer Verbindung verwendet wird, auftreten.

Kurze Leitungen

Wenn die Übertragungsleitung kurz ist, dann ist alles viel einfacher. In diesem Fall benötigen Sie nicht das oben gezeigte Eingangs-Anpassungsnetzwerk. Bei einer kurzen Leitung sieht die Quellenimpedanz Zs nur die Last, sodass Sie die Quellenimpedanz als Ihr Impedanzziel beim Entwerfen des Ausgangs-Anpassungs-Schaltungsblocks verwenden können. In HF-Schaltungen ist dies nicht das, was man typischerweise sieht, es gibt eine Ausbreitung zu einem anderen Schaltungsblock (Kabel, Sender usw.), daher muss man einige Abweichungen der Eingangsimpedanz berücksichtigen.

Hochgeschwindigkeits-Logikschaltungen

Wir bringen das nicht immer zur Sprache, wenn wir über Hochgeschwindigkeits-Logikschaltungen sprechen, aber die Eingänge zu CMOS-Logikschaltungen haben eine gewisse Kapazität, die durch die Transistor- und Verpackungsdimensionen des Empfängers bestimmt wird. Alle auf Transistoren basierenden Logikschaltungen sind kapazitiv, ebenso wie die Leiterbahnen, die verwendet werden, um das Signal zu den Eingängen zu führen. Die Leiterbahn und die Verpackung zusammen haben eine gewisse parasitäre Kapazität, die aufgeladen werden muss, damit das sich ausbreitende Signal als der gewünschte Logikzustand interpretiert werden kann.

Der Unterschied zwischen einer Übertragungsleitung und einer kapazitiven Last besteht darin, dass eine Übertragungsleitung tatsächlich ein gebündelter LC-Schaltkreis (eigentlich ein RLC-Schaltkreis) mit komplexer Dielektrizitätskonstante ist. Daher ist ihre Impedanz annähernd real. Die Lastkapazität erzeugt jedoch reale Effekte; typische Lastkapazitäts-Werte können bei modernen digitalen Komponenten, abhängig von Verpackung und Technologieknoten, von 1 pF bis 100 pF variieren. Die Lastkapazität liegt parallel zu einem Hochimpedanz-Logikschaltkreis (in der Größenordnung von 1 MOhm), sodass sie zusammen wie ein RC-Schaltkreis wirken, sobald sie die eingehende Welle empfangen. Daher machen wir uns nur Sorgen um die Anwendung von Abschlusswiderständen, als ob alles aus Widerständen bestünde; uns interessieren nur Frequenzen bis zu den Grenzen, wo die Lastkapazität übernimmt.

Offensichtlich handelt es sich hierbei um eine „kapazitive“ Last. In digitalen Schaltkreisen erkennen wir, dass die Lastkapazität ein bandbreitenbegrenzender Faktor ist; sie wird nur wichtig, wenn man in die hohen GHz-Frequenzen kommt, was bedeutet, dass es uns nur interessiert, wenn der Roll-off-Frequenzbereich für diese Eingangsimpedanz mit einem signifikanten Teil der digitalen Signalbandbreite überlappt. Es ist nicht praktikabel, in diesen Schaltkreisen eine Breitbandabschluss zu verwenden, um Reflexionen vollständig zu unterdrücken. Es wird immer eine gewisse Reflexion auftreten, wenn das wandernde Signal die Last erreicht.

Daher hat sich die Industrie auf Dinge wie Equalization und multilevel Signaling-Schemata konzentriert, um Signale wiederherzustellen und die Datenraten bei einer gegebenen Anstiegszeit zu erhöhen. In jedem Fall kann das terminierende Element auf dem Komponenten-Die vorhanden sein, es sei denn, es wird spezielle Logik verwendet. Ein Beispiel mit paralleler Terminierung wird unten gezeigt.

Eine Alternative hierzu ist die Verwendung von RC-Terminierung am Empfänger, dies ist jedoch weniger verbreitet und würde ein externes Komponentenpaar erfordern. Die Idee hier ist, die Anstiegszeit zu verlangsamen, die normalerweise durch den Aufbau des Geräts auf dem Die (normalerweise ein hochohmiger Eingang) begrenzt wäre. RC-Terminierung wird für diesen Zweck im Allgemeinen nicht bevorzugt, da es besser ist, das Signal am Treiber zu verlangsamen, anstatt am Empfänger. In einigen Fällen haben Sie jedoch möglicherweise keine Wahl, zum Beispiel wenn der Treiber nicht auf Ihrer Leiterplatte platziert ist und Sie nur die Möglichkeit haben, eine RC-Terminierung am Empfänger zu platzieren.

Das Fazit ist folgendes: Bei digitalen integrierten Schaltkreisen machen wir uns nicht unbedingt Sorgen um kapazitive Abschlüsse, da wir versuchen, über die breitest mögliche Bandbreite eine Impedanzanpassung zu erreichen, anstatt bei einer spezifischen Frequenz. Dies legt den größten Schwerpunkt auf das physische Kanaldesign, um sicherzustellen, dass die Rückflussdämpfungen bei kurzen Kanälen minimal sind und die Einfügedämpfungen bei langen Kanälen minimal sind. Wenn es uns nur darum ginge, bei einer spezifischen Frequenz abzugleichen, könnten wir den Großteil der Leistung im Signal verlieren, und es könnte vollständig verloren gehen.

Zusammenfassung

Um zusammenzufassen, hier sind einige wichtige Erkenntnisse:

• Es gibt keine rein kapazitive Last. Selbst Kondensatoren hören auf, sich bei hinreichend hoher Frequenz wie ideale Kondensatoren zu verhalten. Reale Lasten können sich annähernd kapazitiv verhalten.
• Analogsignale können mit einem Standard-LC-Filterkreis an eine kapazitive Last impedanzangepasst werden.
• In digitalen Schaltkreisen können wir die Lastkapazität aufgrund der Breitbandnatur digitaler Signale nicht wirklich abschließen.

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