Wie die Lastkapazität auf einer Übertragungsleitung Ihre Signale beeinflusst

Wenn Sie jemals über Übertragungsleitungen und Datenblätter für integrierte Schaltungen gelesen haben, gibt es diese scheinbar geheimnisvolle Größe, die als Lastkapazität bezeichnet wird. Dieser Wert hängt von der Geometrie des mit der Übertragungsleitung verbundenen Bauteilanschlusses, sowie vom Substratmaterial und dem Abstand zur Referenzebene auf dem Chip der integrierten Schaltung ab. Bei der Arbeit mit Übertragungsleitungen hat die Lastkapazität eines Bauteils einige wichtige Auswirkungen auf das Signalverhalten, das am Empfänger beobachtet wird, und es ist wichtig zu verstehen, wie Sie die Lastkapazität auf Ihrer Leiterplatte beeinflussen können.

Wenn Sie das Signalverhalten auf einer Übertragungsleitung für eine gegebene Lastkomponente analysieren müssen, beeinflusst die Lastkapazität die S-Parameter und die Übertragungsfunktion der Leitung, daher muss sie in die Analyse von Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsignalen einbezogen werden. Zudem wird die reale Eingangsimpedanz an der Last bei ausreichend hohen Frequenzen durch die Lastkapazität bestimmt. Hier erfahren Sie, wie Sie Ihre Lastkapazität besser verstehen und bestimmen können, wie sie Signale in einer Übertragungsleitung auf Ihrer Leiterplatte beeinflusst.

Was ist Lastkapazität?

Die Lastkapazität auf einem integrierten Schaltkreis ist ein parasitäres Element zwischen dem Eingangsleiter und der nächstgelegenen Referenzebene. Mit anderen Worten, das mit dem Bauteil verbundene Eingangspad und die Übertragungsleitung sehen eine Shunt-Kapazität zum gemeinsamen Massebezug (unter der Annahme, dass die Übertragungsleitung und der IC dieselbe Masseebene teilen).

Dies tritt auf, weil das mit der Übertragungsleitung verbundene Pad auf eine bestimmte Spannung gebracht wird, wenn ein Signal den Empfänger erreicht, aber es ist durch das PCB-Substrat und den integrierten Schaltkreisdie von der Masseebene getrennt. Beachten Sie, dass die Pin-Paket-Induktivität momentan weggelassen wurde, die als Serienelement zwischen der Übertragungsleitung und dem Pad sitzen würde. Die parasitäre Kapazität zwischen dem Pad/Masseebene parallel zur Leiter/Die-Masseebene ergibt die gesamte Lastkapazität. Dies wird im untenstehenden Schaltbild gezeigt:

Für den oben genannten Fall eines differentiellen Kanals wird die angewandte Terminierung als einfacher paralleler Widerstand dargestellt, um das Bild, das differentielle Signale betrifft, zu vereinfachen. Allerdings können die in der Praxis angewandten Terminierungsschaltungen für einen differentiellen Empfänger komplexer sein, wie ich in diesem Artikel diskutiert habe, und sie zielen darauf ab, einen Offset zu bewahren, während sie an die einzelnen Übertragungsleitungen im Kanal angepasst werden, anstatt an die differentielle Impedanz anzupassen.

Terminierung

Im oben genannten Beispiel ist die natürliche Lösung, um das inhärente Impedanz-Mismatch anzugehen, die Anwendung von Terminierung. Betrachten Sie eine Shunt-Terminierung bei der charakteristischen Impedanz (entweder im IC integriert oder mit einem externen Widerstand angewandt). Bei niedrigen Frequenzen erscheint die Lastimpedanz als die terminierte Impedanz. Bei hohen Frequenzen erscheint die Lastimpedanz jedoch vollständig aufgrund der Lastkapazität. Die hier zu ziehende Lehre ist: Sie können nur über eine begrenzte Bandbreite aufgrund der Lastkapazität eine Impedanzanpassung erreichen.

Kapazität am Quellenende

Man könnte sich natürlich fragen, was ist mit der Kapazität auf der Quellseite der Übertragungsleitung? Tatsächlich gibt es eine gewisse Quellenkapazität, die die Ausgangsimpedanz des Treibers aufgrund der Anwesenheit eines Pads bestimmt. Diese wird normalerweise beim Modellieren ignoriert, weil das Signal, das vom (Treiber + Übertragungsleitung)-System gesendet wird, nur außerhalb des Treibers gemessen wird. Daher machen wir uns im Grunde keine Gedanken darüber, wie das Signal dorthin gelangt ist, sondern nur, dass wir messen können, was es ist. Wir müssen uns nur um die Eingangsimpedanz des (Übertragungsleitung + Last)-Systems kümmern.

Übertragungsfunktion mit Lastimpedanz

Welches Signal auch immer in die Übertragungsleitung eingespeist wird, wird durch die Lastkapazität beeinflusst. Dies wird dann mit einer Übertragungsfunktion quantifiziert. Intuitiv, wenn man sich das Diagramm oben ansieht, wirkt die Kapazität wie ein Shunt-Element zur Erde für Hochfrequenzkomponenten des Signals. Daher verhält sich eine an einen echten IC angeschlossene Übertragungsleitung wie ein Tiefpassfilter, noch bevor das Signal die Last erreicht!

Intuition ist zwar schön, aber wie können wir dies quantifizieren? Glücklicherweise können Sie die Frequenzantwort der Übertragungsleitung mit einer Übertragungsfunktion untersuchen. Dies zeigt Ihnen, entweder im Laplace-Bereich oder im Frequenzbereich, wie die Lastimpedanz und die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ein Signal im Frequenzbereich beeinflussen. Anschließend können Sie mit einer Fourier-Transformation zurück in den Zeitbereich konvertieren, um das anfängliche Startsignal und das am Lastpunkt empfangene Signal zu vergleichen.

Um dies zu tun, ist es bei weitem am einfachsten, ABCD-Parameter für eine Übertragungsleitung zu verwenden. Diese stehen in Beziehung zu den S-Parametern (Einfügedämpfung und Rückflussdämpfung) für eine einseitige Leitung. Die ABCD-Matrix für eine einseitige Leitung wird in Bezug auf die charakteristische Impedanz der Leitung definiert und hat eine ähnliche Bedeutung wie S-Parameter:

Nun setzen Sie diese Werte in die folgende allgemeine Formel für die Übertragungsfunktion für ein Zweitor-Netzwerk mit definierter Quellen- und Lastimpedanz ein (beachten Sie, dass die Lastimpedanz oben angezeigt wird):

Wenn wir annehmen, dass die Quelle an die Übertragungsleitung angepasst ist, haben wir die folgende Übertragungsfunktion für die Übertragungsleitung. Ich habe dies vorerst im Laplace-Bereich geschrieben:

Beachten Sie, dass eine sehr ähnliche Gleichung in der Literatur zum integrierten Schaltungsentwurf für eine elektrisch lange Leitung (d.h. länger als die kritische Länge) präsentiert wird. Diese Gleichung sagt Ihnen genau, wie das Signal durch die Impedanz einer Übertragungsleitung und die Lastkapazität beeinflusst wird. Beachten Sie, dass die Größen in dieser Gleichung im Allgemeinen komplex sind (einschließlich des Ausbreitungskonstanten) und im Fall gelten, dass die Leitung jedes Maß an Verlust aufweist.

Um diese Gleichung für die Analyse zu verwenden, müssen Sie alle möglichen Effekte einbeziehen, die Verzerrung und Verlust im System erzeugen können. Dazu gehören:

• Dispersion und Verluste im Dielektrikum
• Kupfer-Rauheit
• Verluste durch den Skin-Effekt, bezogen auf die Kupfer-Rauheit

Siehe diesen Artikel, um mehr über diese Quellen von Verzerrung und Verlust in Ihren Übertragungsleitungen zu erfahren und wie Sie diese analytisch modellieren können.

Analyse der Auswirkungen von Lastkapazität

Die Verwendung einer Übertragungsfunktion erleichtert die Analyse der Auswirkungen der Lastkapazität auf die Übertragungsleitung und alle sich ausbreitenden Signale erheblich. Dies lässt sich am besten in einem Diagramm zusammenfassen. Das untenstehende Diagramm zeigt die Größe und Phase der Übertragungsfunktion für eine Übertragungsleitung auf FR4 (10 cm Streifenleitung, 0,48 mm Abstand zwischen den Ebenen/0,198 mm Breite, dispersionsfrei, Dk = 4.4, Verlustwinkel = 0.02) mit 50 Ohm charakteristischer Impedanz mit paralleler Terminierung. Das Tiefpassverhalten bis zu 1-10 GHz ist im oberen Diagramm deutlich zu erkennen.

Aus diesem Diagramm sehen wir, dass mit abnehmender Lastkapazität der Tiefpassabfall erst bei höheren Frequenzen auftritt. Wir können einige zusätzliche GHz an Spielraum gewinnen, einfach indem wir eine Komponente mit geringerer Lastkapazität verwenden. Es gibt weniger Verzerrungen bei mittleren Frequenzen (unterhalb der ersten Phasenumkehr), da die Phasenkurve bis zu ~10 GHz flacher ist. Beide Diagramme sollten die Schwierigkeit der Impedanzanpassung bis zu hohen Frequenzen im Signalbandbreitenbereich veranschaulichen. Hier haben wir sogar Kupferrauheit, Faserweb-Effekte oder den Skin-Effekt in diesen Berechnungen noch nicht einmal berücksichtigt.

Beim Arbeiten an Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzdesigns können Sie nur die parasitäre Lastkapazität kontrollieren, die auf einer Übertragungsleitung von der PCB-Seite gesehen wird. Der integrierte Schaltkreis, den Sie wählen, wird eine definierte Eingangskapazität haben, die nicht geändert werden kann. Es gibt jedoch 3 Hebel, die Sie ziehen können, um die gesamte Lastkapazität zu kontrollieren, die von einer Übertragungsleitung gesehen wird:

• Oberflächenschicht-Laminatdicke. Der parasitäre Beitrag des PCBs zur Lastkapazität ist proportional zur Schichtdicke, daher hilft die Verwendung eines dünneren Laminats für die Oberflächenschicht mit einer angrenzenden Masseebene, den Roll-off zu leicht höheren Frequenzen zu verschieben.
• Laminat-Dielektrizitätskonstante.Der Beitrag des PCBs zur gesamten Lastkapazität ist proportional zum Dk-Wert des Laminats, daher bietet die Verwendung eines Laminats mit niedrigem Dk für die Oberflächenschicht eine geringere gesamte Lastkapazität.
• Komponenten. Eine Komponente mit einer kleineren Anschlussgröße wird tendenziell eine kleinere Lastkapazität haben. Behalten Sie dies im Hinterkopf, wenn Sie Komponenten auswählen, falls Sie die Signalintegrität bis zu sehr hohen Frequenzen (~10er GHz) aufrechterhalten müssen.

Kurze Übertragungsleitungen? Verwenden Sie einen Schaltungssimulator

Wenn die Leitung elektrisch klein ist, müssen wir keinen Ansatz mit wandernden Wellen verfolgen und können einfach die Schaltungstheorie verwenden, um eine Übertragungsleitung zu beschreiben. Dies bildet effektiv ein fehlangepasstes Pi-Netzwerk, das auch bei hohen Frequenzen ein Tiefpassverhalten aufweist. Der Unterschied hierbei ist, dass Resonanzen und Transienten auftreten können, genau wie man es in einem Standard-RLC-Schaltkreis sehen würde. Um diesen Typ von System zu untersuchen, können Sie die Schaltungssimulationstools in Ihrer Schaltplan-Designsoftware verwenden, um das Signalverhalten zu verstehen und das Signalverhalten so zu entwerfen, dass es kritisch gedämpft ist.

Anstiegszeit an der Last für einseitige, nicht impedanzkontrollierte Leitungen

Bei einem Bus wie SPI, oder bei einem äquivalenten Signalformat über GPIOs mit Push-Pull-Ansteuerung, hängt die Anstiegszeit auf einem elektrisch kurzen Bus von der Lastkapazität ab. Wenn Sie beispielsweise die Daten für die Anstiegszeit eines SPI-Treibers betrachten, wird die Anstiegszeit von der Lastkapazität abhängen. Diese Daten könnten in den Datenblättern für die treibende Komponente verfügbar sein, und die Eingangspin-Kapazität sollte für Ihre Lastkomponente verfügbar sein.

Ein Beispiel für eine Datentabelle zur XTAL-Signalisierung mit dem ADUC847 ist unten dargestellt. Die Datentabelle gibt eine typische Anstiegszeit von 9 ns für eine Lastkapazität von 80 pF an (in roten Kästen markiert). Ähnliche Beispiele für SPI/QSPI-Busse finden Sie bei anderen Komponenten, wie DSP-ASICs, ADCs, MCUs und einer Vielzahl anderer digitaler/mixed-signal Komponenten.

In der oben genannten Beispielkomponente gibt es Logikschnittstellen, die mit einer Reihe möglicher digitaler Signalanstiegszeiten verwendet werden könnten. Tatsächlich, wenn Sie auf Seite 91 des Datenblatts für den ADUC847 nachschauen, werden Sie die folgende Empfehlung des Herstellers sehen:

Wenn der Benutzer plant, schnelle Logiksignale (Anstiegs-/Abfallzeit fügen Sie einen Serienwiderstand zu jeder relevanten Leitung hinzu, um die Anstiegs- und Abfallzeiten länger als 5 ns an den Eingangspins des Geräts zu halten.

Falls Sie sich nicht sicher waren, ist es wichtig zu erkennen, dass Ihnen speziell eine der Hauptfunktionen eines Serienabschlusswiderstands genannt wird: die Signalflankenrate zu verlangsamen. Dies kann verwendet werden, um die Dämpfung auf kurzen Übertragungsleitungen zu steuern, die übermäßige unterdämpfte Oszillationen aufweisen (aufgrund von Ground Bounce und kleiner Lastkapazität), sowie die Abschlussanpassung.

• Erfahren Sie mehr über die Verwendung von Serienwiderständen für Dämpfung und Impedanzanpassung

Welcher Schaltkreis zur Simulation eines kurzen Busses verwendet werden soll?

Um die Lastkapazität in einer Simulation mit einem I/O-Puffer umfassend zu berücksichtigen, benötigen Sie einige Komponenten in Ihrem Schaltkreis:

• Einen einfachen Pufferschaltkreis, der FET-Parasiten enthält
• Einen Wert für die Lastkapazität
• Einen Wert für den Bypass-Kondensator
• Die Gesamtinduktivität der Leitung
• Die Kapazität der Leitung
• Induktivitätswerte für alle Vias, die die Netze für Strom, Masse und Kondensator verbinden

Ein Beispiel für eine Schaltung ist unten dargestellt. Dies ist der Typ von Schaltung, der verwendet würde, um Ground Bounce zu simulieren. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Lastkapazität zu den Signalcharakteristiken beitragen wird, die in diesem Beispiel gemessen werden, und sie wird bestimmen, welche Serienabschlusswiderstände Sie möglicherweise auf diesen kurzen Leitungen anwenden müssen, um die Impedanz anzupassen und das Signal gleichzeitig zu dämpfen.

Das obige Beispiel würde in Ihren Schaltplänen implementiert und mit SPICE durchgeführt werden. Sie benötigen keine komplexen SPICE-Modelle für Ihre Treiberkomponente, Sie benötigen nur angemessen genaue SPICE-Modelle für die FETs, die im Pufferkreis verwendet werden. Die Alternative besteht darin, die in Ihrer Komponente verwendete Logikfamilie in einer 2D BEM/MoM-Simulation anzugeben. Ein Beispiel finden Sie an anderer Stelle im Blog.

• Eine Serienwiderstandssimulation für eine einseitige Übertragungsleitung ansehen

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