Abschlusstechniken bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Leiterplatten

Das Thema Abschluss wird unvermeidlich aufkommen, wenn man sich mit Hochgeschwindigkeits-Digitalsystemen befasst. Die meisten Digitalsysteme verfügen über mindestens eine standardisierte Hochgeschwindigkeitsschnittstelle oder möglicherweise schnelle GPIOs, die Signale mit schneller Flankenrate erzeugen. Fortgeschrittene Systeme haben viele standardisierte Schnittstellen, bei denen normalerweise auch eine Abschaltung auf dem Halbleiterchip angewendet wird. Wenn Sie feststellen, dass Sie tatsächlich eine Abschaltung benötigen, welche Methode sollte dann verwendet werden?

Wie sich herausstellt, ist die Anwendung von diskreten Abschlusswiderständen in den meisten Digitalsystemen nicht sehr verbreitet, da so viele Komponenten standardisierte Busse für die digitale Kommunikation implementieren. Aber wenn Sie es mit fortgeschrittenen Komponenten zu tun haben, die schnelle I/Os besitzen, dann müssen Sie möglicherweise manuell eine Abschaltung mit diskreten Komponenten vornehmen. Der andere Fall, in dem dies auftritt, ist bei spezieller Logik, wie sie manchmal in bestimmten Prozessoren und FPGAs verwendet wird. Schließlich gibt es noch die Angelegenheit der RF-Abschaltung, die sich sehr von der Abschaltung in Digitalsystemen unterscheidet.

Wann und wie Abschaltung anwenden

Wie oben erwähnt, gibt es einen engen Bereich von Fällen, in denen die Abschaltung mit diskreten Komponenten manuell angewendet werden muss.

• Ihre Schnittstelle hat keine Impedanzspezifikation
• Ihre Datenblätter geben an, dass eine manuelle Terminierung erforderlich ist
• Ihre Schnittstellenspezifikation fordert eine spezifische Terminierung (z.B. DDR, Bob Smith Terminierung bei Ethernet)

Die Impedanzanpassung bei RF (Radiofrequenz) und digitalen Signalen unterscheidet sich etwas. Das Ziel ist jedoch dasselbe: Das in eine Übertragungsleitung gesendete Signal sollte während der Ausbreitung minimale Verluste erfahren und vom empfangenden Bauteil auf dem korrekten Spannungs-/Leistungsniveau registriert werden. Die untenstehende Tabelle vergleicht Terminierungsmethoden, die in digitalen und RF-Signalwegen verwendet werden:

Der nächste Punkt, den es zu verstehen gilt, ist die richtige Auswahl einer Abschlussmethode für Ihr spezifisches System. Die folgenden Abschnitte bieten kurze Übersichten und Links zu Ressourcen über die verschiedenen Arten von Abschlüssen, die bei einseitigen, differentiellen und RF-Verbindungen verwendet werden können.

Serienabschluss

Diese Abschlussmethode beinhaltet das Platzieren eines Serienwiderstands direkt am Ausgangspin des Treibers. Technisch gesehen sind Übertragungsleitungen lineare Systeme, und ein Serienwiderstand könnte irgendwo entlang der Verbindung platziert werden. Es ist jedoch vorzuziehen, den Serienwiderstand direkt am Treiberausgang zu platzieren, da dies die genaueste Skalierung des Ausgangssignals und die korrekte Unterdrückung von Reflexionen bietet.

• Berechnung des Serienabschlusswiderstands
• Dämpfung und Reflexionsübertragung mit einem Serienabschlusswiderstand

Die benötigten Werte für Serienwiderstände zur Abschlussbildung können schwer zu bestimmen sein, da die erforderlichen Daten nicht immer in einem Datenblatt vorhanden sind. Stattdessen müssen sie aus einem bekannten guten IBIS-Modell für den treibenden Pin ermittelt werden, oder sie müssen durch Messung bestimmt werden. Daher ist es manchmal wünschenswerter, eine Parallelschaltung zu verwenden.

Parallelabschluss

Parallele Terminierung wird verwendet, um Reflexionen am Empfänger zu unterdrücken und gleichzeitig sicherzustellen, dass die volle Spannung vom Eingangspin der Last empfangen wird. Daher muss sie direkt am Eingangspin auf der Lastkomponente platziert werden, und der Wert des Widerstands wird so eingestellt, dass er gleich der Impedanz der Übertragungsleitung ist.

• Wellenform und Erklärung der parallelen Terminierung
• Paralleler Terminator in verzweigten Leitungen

In einigen speziellen Fällen können parallele Terminierung und serielle Terminierung zusammen auf derselben Verbindung verwendet werden, aber das ist nicht üblich. Dies findet man häufiger in spezieller Logik, wo das Ausgangssignalniveau absichtlich auf eine niedrigere Spannung verschoben werden muss, aber nicht notwendigerweise mit einem perfekt abgestimmten Serienwiderstand. Ein weiterer Fall ist, wenn ein Designer versucht, das Grundrauschen durch Platzierung eines Serienwiderstands zur Dämpfung zu unterdrücken, aber die Reflexion an der Last immer noch mit paralleler Terminierung unterdrückt wird.

Thevenin-, Pull-Up- und AC-Terminierung

Thevenin-Terminierung, Pull-Up-Terminierung und AC-Terminierung sind alles Arten von parallelen Terminierungen, die am Eingangspin einer empfangenden Komponente angewendet werden. Sie erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktion wie eine einfache parallele Terminierung mit einem Widerstand, aber mit einigen zusätzlichen Konsequenzen.

• Thevenin - passt das Spannungsniveau an und bezieht Leistung aus einer alternativen Versorgungsspannung
• Pull-up - zwingt das Signal, um ein bestimmtes Abschlussspannungsniveau zu schalten; kann für Logikinversion verwendet werden
• AC-Abschluss - begrenzt die Kanalbandbreite auf niedrigere Frequenzen und bietet eine Filterfunktion

Unter diesen drei Arten von Abschlüssen werden Thevenin und Pull-up häufiger verwendet. Es ist wahrscheinlicher, dass diese auf dem Halbleiterchip implementiert werden, als mit diskreten Bauteilen. Wenn sie mit diskreten Bauteilen verwendet werden, handelt es sich wahrscheinlich um einen speziellen Logikfall. Alle drei Abschlüsse können in differentiellen Schnittstellen als Teil der geteilten Terminierung gefunden werden.

RF-Abschluss

Die Verwendung von RF-Abschluss beinhaltet im Wesentlichen die Platzierung von Filtern am Ausgang eines Treibers oder am Eingang eines Empfängers/Last, sodass die Ausgangsimpedanz von einer Quelle eine Zielimpedanz trifft. RF-Impedanzanpassungsschaltungen sollten idealerweise null Widerstand haben, was bedeutet, dass sie nur reaktive Komponenten verwenden sollten. Der Grund dafür ist, dass wir vorziehen würden, keine Leistung zu verlieren, wenn ein Signal mit dem Impedanzanpassungsnetzwerk interagiert.

Widerstände sind Breitband-Abschlusskomponenten, daher möchten wir sie mit Breitbandsignalen wie digitalen Signalen verwenden. Reaktive Impedanzanpassungsnetzwerke erzeugen eine Impedanzanpassung nur innerhalb eines bestimmten Bandbreite:

• Reaktive Komponentenabschlusskreise erzeugen Hoch-Q- oder Niedrig-Q-Durchlassbereiche
• Mehrere reaktive Komponenten können in Stufen kombiniert werden, um Filter höherer Ordnung zu erzeugen
• Einige Schaltungen weisen in ihrem Durchlassbereich Welligkeiten auf, die von der Topologie des Abschlussnetzwerks abhängen

Eine andere Methode, die nicht den Einsatz von diskreten Bauteilen erfordert, ist die Verwendung von Leitungsabschnitten. Diese Abschnitte wenden Impedanzanpassung nur in sehr hoch-Q-Bandbreiten an und sind am besten für harmonische Signale geeignet. Um zu verstehen, warum diese Punkte wichtig sind, lesen Sie die untenstehenden Links.

• Quartwellen-Transformator-Design für reale und reaktive Lasten
• Impedanzanpassungsnetzwerk S-Parameter-Simulation
• Wie man einen RF-Spurkegel für die Impedanzanpassung entwirft

Oberhalb einiger GHz funktioniert die Terminierung mit diskreten Komponenten nicht wie vorgesehen aufgrund der Anwesenheit von Parasitären. Deshalb neigen Komponenten, die bei vielen GHz arbeiten, dazu, Impedanzanpassungselemente direkt auf dem Halbleiterchip zu platzieren, so dass die Ausgangspins direkt zu 50 Ohm passen. Bis zu einigen GHz müssen die Platzierung und die Werte, die in diskreten Komponenten verwendet werden, simuliert und gemessen werden.

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