Verständnis von Signalreflexionen für Hochgeschwindigkeitsdesign

Einführung

Signalreflexionen und die damit verbundene Technik der Impedanzanpassung sind eines der grundlegenden Themen im Zusammenhang mit dem Entwurf von Hochgeschwindigkeits-Digitalsystemen. Im Falle eines digitalen Systems mit hoher Bitrate, bei dem Informationen über den Zustand der Bits "0" und "1" in Form eines Rechtecksignals gesendet werden, wird angenommen, dass die Anstiegs- (oder Abfall-) Zeit der ansteigenden und abfallenden Flanken im Verhältnis zur Frequenz des Binärsignals vernachlässigbar ist. In der Praxis steigt und fällt ein digitales Signal jedoch nie unendlich schnell. Die Anstiegs- (und Abfall-) Zeit wird durch die Parameter des Signalwegs bestimmt, der den Sender, die Empfängerparameter und die physikalischen Eigenschaften der Übertragungsleitung umfasst.

Im Falle von Hochgeschwindigkeitssystemen kann die Anstiegs- und Abfallzeit so kurz wie 1ns oder darunter sein. Die Frequenz des Binärsignals in digitalen Systemen kann mehrere GHz erreichen und um eine relativ rechteckige Form zu erhalten, sollten die ansteigenden und abfallenden Kanten einen Bruchteil der Bitdauer betragen.

Die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellenausbreitung (Ausbreitung von Spannung und Strom in der Übertragungsleitung) hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich des Typs der Übertragungsleitung und des Substrattyps. Zum Beispiel: Für FR4-Substrat und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit ungefähr 160Mm/s (Megameter pro Sekunde) oder 525Mft/s (Mega Fuß pro Sekunde). Wenn die Anstiegs- (oder Abfall-) Zeit z.B. 200ps beträgt, dann wird die ansteigende (oder fallende) Kante während der Anstiegs- oder Abfallzeit 32mm oder 1,25Zoll entlang der Übertragungsleitung reisen.

Die Beibehaltung der Signalform hängt davon ab, ob die Übertragungsleitung auf der Leiterplatte über eine Länge, die vergleichbar mit der Distanz ist, die von der ansteigenden (oder abfallenden) Flanke zurückgelegt wird, eine Impedanzkontinuität und eine angemessene Terminierung auf der Empfängerseite aufrechterhält. Im Falle sehr kurzer Verbindungen oder einer langsamen Anstiegs- (Abfall-) Zeit des digitalen Signals können die Phänomene der Reflexionen, wie hier beschrieben, möglicherweise nicht beobachtet werden und können übersprungen werden. Als Faustregel kann angenommen werden, dass wenn die vom Signaledge zurückgelegte Distanz (d.h. das Produkt aus der Ausbreitungszeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit) mehr als 10% der Übertragungslänge beträgt, darauf geachtet werden sollte, die Ausgänge, Eingänge und die Übertragungsleitung richtig anzupassen - dieses Verfahren wird Impedanzanpassung genannt und umfasst das Design der Leiterbahnen auf der Leiterplatte sowie Anpassungsnetzwerke, die mit Widerständen zusammengesetzt sind.

Impedanzanpassung und resistive Anpassung

Die Beziehung, die die Bedingung für die Impedanzanpassung bestimmt, ist wohlbekannt. Wenn die Ausgangsimpedanz des Senders ein komplex konjugiertes der Impedanz des Empfängers ist und der Pfad, der Sender und Empfänger verbindet, den gleichen Widerstand wie der Realteil des Senders und Empfängers aufweist, dann ist der Signalpfad angepasst. In praktischen Fällen digitaler Systeme wird die Anpassung nicht durch Implementierung eines komplex konjugierten Impedanzanpassungsnetzwerks für den Sender- oder Empfängerpfad durchgeführt (dies würde Induktoren und Kondensatoren erfordern, die zu den Signalleitungen hinzugefügt werden, um jegliche imaginäre Impedanzkomponenten zu neutralisieren. Außerdem ist diese Art der Anpassung in der Regel schmalbandig, sodass sie in digitalen Systemen keine praktische Anwendung findet).

Eine gängige Praxis ist es, nur den resistiven Teil der sendenden und empfangenden ICs anzupassen und die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung rein resistiv zu machen. In diesem Fall werden nur Widerstände benötigt, um die erforderliche Anpassung zu bieten, z. B. ist ein Serienwiderstand am Treiberausgang eine der möglichen Lösungen, um den Sender an die Übertragungsleitung anzupassen. Beim Empfänger kann ein Parallelwiderstand zur Erde verwendet werden (oder für ein differentielles Paar - ein Widerstand zwischen den Leiterbahnen, die das differentielle Paar bilden). Einige Beispiele bezüglich der Abschlusstopologien des Empfängers sind in Abbildung 1 dargestellt, die aus dem Signal Integrity-Tool in Altium Designer entnommen wurde.

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Abbildung 1: Verfügbare Abschlusstopologien im Altium Designer Signal Integrity-Tool

Beispiele für Signalspiegelungen im digitalen System

Dieses Kapitel behandelt Beispiele für Signalanpassungen mit Reflexionswellenformen, die auf dem 50Ω-System basieren - einem System, das häufig für Radiofrequenz-Designs verwendet wird. Die in diesem Abschnitt vorgestellten Beziehungen gelten jedoch auch für digitale Systeme, die andere Impedanzprofile verwenden, sowie für Signale, die mittels Differenzpaaren übertragen werden - üblich für Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme, z. B. USB3.0 oder PCIe. Die vorgestellten Überlegungen lassen den Einfluss des imaginären Teils der Impedanz des Senders und Empfängers außer Acht. Die Übertragungsleitung wird mittels eines Impedanzprofils (auf 50Ω eingestellt) entworfen, das in Altium Designer definiert ist. In diesem Fall nimmt die Anpassungsbedingung die durch Gleichung 1 definierte Form an, in der jeder Widerstand einen Wert von 50Ω hat.

Für Simulationszwecke wurde das IBIS-Modell des LMK00334RTVR-Chips verwendet. Die für die Anpassungskomponenten dieses Chips verwendeten Widerstände sind nahe genug an 50Ω - es wurde bewiesen, dass das System durch Simulation gut angepasst ist, wenn 50Ω-Widerstände verwendet wurden. Beachten Sie, dass der LMK00334RTVR möglicherweise unterschiedliche Werte für die Terminierung von Eingängen und Ausgängen erfordert.

Ro=Ri=Rt=50Ω (Gl. 1)

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• Ro - Ausgangswiderstand des Senders,
• Ri - Eingangswiderstand des Empfängers,
• Rt - charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung.

Abgestimmter Systemfall, Einzelpulsanregung

Im Falle eines ordnungsgemäßen Abgleichdesigns werden die Widerstände im Anpassungsnetzwerk durch eine Gleichung 1 definiert. Das Diagramm eines solchen Systems wird in Abbildung 2 gezeigt und die Simulationsergebnisse werden in Abbildung 3 präsentiert. Es gibt keine Signalreflexion im System entlang der Übertragungsleitung. Das Signal wird von Pin U29 von U1 gesendet, reist durch den Serienabgleichwiderstand (R5) und wird vollständig vom Lastwiderstand (R4) am anderen Ende der Leitung absorbiert. Die gesamte Energie wurde von R4 absorbiert und daher trat keine Reflexion auf - nur der Quellimpuls ist sichtbar.

Abbildung 2: Schaltplan des für die Simulation verwendeten Aufbaus

Abbildung 3: Einzelpulssimulation in vollständig abgeglichenem Schaltkreis

Reflexionen im System bei einer Einzelpulsanregung. Fall der in-Phase-Reflexion

Wenn die durch Gleichung 1 gegebenen Widerstände nicht gleich sind, treten Reflexionen im System auf. Ein Beispiel für Signalreflexion wird in Abbildung 4 dargestellt, wo der Shunt-Widerstand des Empfängers von 50Ω auf 10kΩ erhöht wurde (siehe Abbildung 2, Widerstand R4) und der Widerstand des Senders (R5) auf 1Ω reduziert wurde. In diesem Fall wurde der vom Sender gesendete Impuls nicht von R4 auf der Empfängerseite absorbiert. Das Signal wurde reflektiert und kehrte nach etwa 1,6ns zum Eingang des Senders zurück. Kennt man die Ausbreitungszeit und -geschwindigkeit, kann man die Entfernung vom Signalgeber zu dem Ort berechnen, an dem die Impedanzinkongruenz auftrat, wobei zu beachten ist, dass der Impuls diese Strecke zweimal zurücklegt. Altium Designer liefert den Wert der Ausbreitungszeit für ein gegebenes Netz - siehe Abbildung 5. Die Ausbreitungszeit für dieses spezielle Netz wurde von Altium Designer berechnet und beträgt 807ps. Für einen Hin- und Rückweg entspricht dies ungefähr 1,6ns.

Abbildung 4: Fall der Einzelpulsreflexion

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Abbildung 5: Verzögerung der Ausbreitung der Übertragungsleitung, berechnet von Altium Designer

Reflexionen im System bei einer Einzelpulsanregung. Fall der außerphasigen Reflexion

In diesem Fall wurden die Widerstände des Anpassungsnetzwerks wie folgt eingestellt: Ro=R5=50Ω. Außerdem wurde Ri=R4 auf 100mΩ eingestellt (kann im Vergleich zu 50Ω als Kurzschluss betrachtet werden). Wenn die Übertragungsleitung am anderen Ende mit einem Widerstand abgeschlossen wird, der niedriger als der Widerstand der Quelle und der Übertragungsleitung ist, dann wird das Signal um 180 Grad phasenverschoben reflektiert. Diese Reflexion führt zu einer negativen Spannung in der Übertragungsleitung - siehe Abbildung 6. Diese negative Spannung kann zur Leitung der Schutzdioden der integrierten Schaltungspins führen oder sogar den Chip beschädigen.

Abbildung 6: Negative und positive Reflexionen in der Übertragungsleitung

Reflexionen, verursacht durch ein nicht einheitliches Impedanzprofil der Übertragungsleitung, Einzelpulsanregung

In diesem Fall sind Sender und Empfänger abgestimmt (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), während die Übertragungsleitung so ausgelegt ist, dass sie entlang ihrer Länge eine nicht einheitliche charakteristische Impedanz aufweist - siehe Abbildung 7. Dies führt zu Reflexionen, die durch die nicht einheitliche Impedanz entlang der Leitung verursacht werden. Das Simulationsergebnis für diesen Fall, durchgeführt im SI-Tool von Altium Designer, wird in Abbildung 8 gezeigt. In diesem Fall tritt eine Serie von Signalreflexionen entlang der Leitung auf. Dies zeigt, dass die Impedanz des Übertragungsweges entlang seiner Länge einheitlich gestaltet sein sollte. Ein solches Design verbessert die Signalintegrität des Systems.

Unerwünschte Änderungen der charakteristischen Impedanz entlang der Übertragungsleitung können verschiedene Ursachen haben, zum Beispiel: sie kann mit einer Änderung ihrer Breite zusammenhängen (wie in Abbildung 7 gezeigt). Auch andere Faktoren spielen eine bedeutende Rolle bei der Erzeugung einer nicht einheitlichen Impedanz, z. B. Verlust der Referenzebene, eine Reihe von Vias entlang der Leitung, Kupferfelder in der Nähe der Übertragungsleitung und mehr.

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Abbildung 7: Nicht einheitliche Impedanz entlang der Übertragungsleitung

Abbildung 8: Auswirkungen der nicht einheitlichen Übertragungsleitung

Reflexionen in der nicht abgestimmten Übertragungsleitung mit Rechtecksignalanregung

Abbildung 9 zeigt den Fall der Signalinkongruenz des Empfängers, Senders und der Übertragungsleitung (einschließlich ihrer Diskontinuität). In diesem Fall speist der Sender die Leitung mit einem 1GHz Rechtecksignal, um digitale Kommunikation im System nachzuahmen. Dieses Signal wird durch eine Reihe von Reflexionen in einem derart inkongruenten System vollständig verzerrt. Die Spannung der Übertragungsleitung oszilliert um 1,5V und überschreitet den Ausgangszustand (1,85V) um fast 400mV. In diesem Fall wird die Kommunikation im System unterbrochen. Es gibt auch hochfrequente Komponenten in der Leitung, die 1GHz überschreiten und eine Quelle für Interferenzen und Probleme mit EMI sein können. Der Sender regt die Leitung ständig an und liefert Energie, um die sogenannte stehende Welle in der Übertragungsleitung aufrechtzuerhalten, wodurch das ursprüngliche Signal vollständig verzerrt wird.

Abbildung 9: Nicht abgeglichenes System mit kontinuierlicher Anregung in der Übertragungsleitung

Schlussfolgerungen

Signalreflexionen sind das Ergebnis einer Impedanzinkongruenz in der Signalkette, die den Sender, Empfänger und die Widerstände oder Impedanzen der Übertragungsleitung umfasst. Reflexionen stehen auch im Zusammenhang mit einem falschen Design der für digitale (Hochgeschwindigkeits-) oder analoge Signale, wie der Trägerwelle eines Funksystems, verwendeten Übertragungsleitung. Das Auftreten von Reflexionen verschlechtert die Integrität der Signale und kann zu einer erhöhten Fehlerquote im System sowie zu erhöhten elektromagnetischen Emissionen führen.

Die in dem Artikel präsentierten Simulationsergebnisse wurden mit dem Signal Integrity-Tool von Altium Designer durchgeführt. Altium Designer unterstützt Entwickler von Hochgeschwindigkeitssystemen bei der Implementierung des korrekten Schaltplans und PCB-Designs, indem es Werkzeuge zur Simulation von Hochfrequenzschaltungen und -phänomenen bereitstellt, wie die im Artikel diskutierten Signalreflexionen.