Cálculo de la resistencia de terminación en serie

Con las líneas de transmisión, algunas cosas nunca parecen ser simples. Determinar la técnica de terminación y los valores de los componentes en una red de terminación no debería ser una tarea difícil. La mayoría de los programas de diseño de PCB te obligan a buscar calculadoras en línea, o tendrás que realizar los cálculos a mano. En cambio, tu software de diseño debería facilitar la prueba de un rango de valores de componentes en tu red de terminación.

Algunos componentes, trazas, pares diferenciales e interconexiones que se enrutan a través de vías deben coincidir en impedancia para evitar que surjan efectos de línea de transmisión en circuitos de alta velocidad o alta frecuencia. Aunque puedes tolerar pequeñas desajustes de impedancia, algunos controladores de señal tendrán una impedancia que no coincide con el valor estándar de 50 Ohmios típicamente utilizado con trazas de señal. Se debe notar que algunos estándares de enrutamiento y arquitectura de computadoras (es decir, PCIe Gen 2 y Gen 3) también utilizan un valor diferente para la impedancia de pares diferenciales.

Si has determinado que tu traza comenzará a exhibir efectos de línea de transmisión. En este artículo, mostraré cómo usar las herramientas de integridad de señal en Altium Designer^® para determinar el valor correcto para una resistencia en serie.

¿Qué Red de Terminación Debería Usar?

Existen varias respuestas a esta pregunta ya que hay varias redes posibles o terminadores. Para señales digitales, preferimos la terminación resistiva porque los resistores son componentes de banda ancha. Pueden usarse para terminar controladores hasta anchos de banda muy altos cuando se colocan directamente en el pin del controlador de un CI. En contraste, una salida de RF o una antena preferiría una red LC porque no queremos tener pérdida de potencia resistiva, y la colocación exacta del inductor y el capacitor (ya sea en serie o como un elemento en paralelo) depende de cómo necesites desplazar la impedancia para coincidir con la frecuencia de resonancia.

En cuanto a la terminación resistiva, los dos métodos comunes utilizados son la terminación en serie (colocada en el pin del controlador) y la terminación en paralelo (colocada en el receptor a GND). Hay dos cosas importantes que recordar sobre los efectos de la terminación en serie:

Algunas razones para usar resistencia de terminación en serie en el controlador incluyen:

1. Si la línea es lo suficientemente larga como para que estés esperando reflexiones de una carga no terminada, se necesita entre un controlador no terminado y el trazo, y la impedancia del controlador de señal es menor que la impedancia de tu trazo
2. Quieres aumentar el amortiguamiento visto en la salida para ayudar a suprimir el rebote de tierra,NEXT, SSN, o oscilación en una línea muy corta
3. Si la señal producida por el controlador necesita ser ralentizada, lo cual podría usarse en una interfaz rápida instalada en un FPGA o cuando las señales producidas son señales de control que no suministran un flujo de datos continuo

En el punto #1, puedes colocar una resistencia en serie en la salida de tu controlador, pero esto es muy poco común a menos que un bus digital de extremo único estándar (como SPI) se enrute a una distancia muy larga y tenga un tiempo de subida bajo. El punto #1 también podría usarse en el caso de que se utilicen componentes de RF especializados, y estos componentes no tengan terminación en el chip. El punto #2 es más común, especialmente cuando la señal es suministrada por un procesador moderno como un MCU, FPGA, o MPU.

Si ha determinado que necesita una terminación en serie, como basado en un cálculo de longitud crítica, el paquete de resistencias debería ser el paquete más pequeño posible que planea ensamblar en la placa y es más simple colocarlo exactamente en el pin de salida del controlador. Para determinar la resistencia en serie, necesita saber la impedancia de fuente ya, o necesita tener un modelo de simulación para el buffer de salida del controlador (como IBIS). Si conoce la impedancia de salida de la fuente, entonces el requisito de impedancia de terminación en serie es:

Aquí está cómo hacerlo en simulación si conoce la familia lógica o tiene un modelo IBIS para el pin de salida del controlador.

Determinando la Resistencia de Terminación en Serie

El método común para determinar la resistencia de terminación en serie a partir de la simulación es iterar a través de un rango de valores de resistencias en serie. Una vez que ejecute el simulador, verá un gráfico que muestra cómo cada valor de componente en la red afecta su señal. Esto le permite determinar visualmente los mejores valores de componentes para usar en su red de terminación.

• Aprenda más sobre cómo la terminación en serie afecta los niveles de voltaje

El proceso a continuación se aplica tanto a señales diferenciales como a señales de extremo único que no forman parte de una interfaz estandarizada. Recuerda, una señal diferencial puede tratarse como dos señales de extremo único separadas cada una con una impedancia de modo impar definida, por lo que el método de terminación en serie mostrado a continuación se aplica a una traza en un par diferencial, siempre y cuando tengas en cuenta la ligera desviación entre la impedancia de modo impar y la de extremo único.

Configuración de la Herramienta de Integridad de Señal

Una vez que captures tu esquemático y diseñes tu placa, estarás listo para determinar la resistencia de terminación apropiada para tus trazas. Una vez que tengas tu placa preparada, puedes acceder a la herramienta de integridad de señal en Altium Designer desde el menú Herramientas -> Integridad de Señal…

Accediendo a la herramienta de Integridad de Señal en Altium Designer

La herramienta de Integridad de Señal necesita ser configurada seleccionando la familia lógica para los pines en el controlador y el receptor, o agregando modelos IBIS al componente. También puedes modificar el estímulo de señal que se está utilizando en el diálogo de Integridad de Señal.

Una vez que hayas abierto la herramienta de Integridad de Señal, deberías ver el diálogo de Integridad de Señal mostrado en la imagen a continuación. Aquí, necesitarás seleccionar qué redes de señal quieres examinar. Puedes hacer doble clic en las redes de señal que quieras examinar, y estas se añadirán a la tabla en el lado derecho del diálogo.

Eligiendo redes y redes de terminación para tu simulación de integridad de señal

También verás una lista de redes de terminación. En el ejemplo que sigue, vamos a examinar dos trazas de extremo único (NC1 y NC2). Ten en cuenta que puedes cambiar el número de barridos, así como los parámetros en la red de terminación. También podrías examinar uno de los pares diferenciales (es decir, NC3_P y NC3_N) utilizando los mismos pasos presentados aquí.

Resultados de Extremo Único

Vamos a examinar una red de terminación en serie, así como la red de terminación "Resistencia y Capacitor en Paralelo a GND". Ten en cuenta que puedes elegir los valores máximos y mínimos para tu barrido, así como tu voltaje VCC.

Aquí, puedes modificar los valores de las resistencias de terminación en tu red de adaptación

Ahora que has configurado la simulación, haz clic en el botón “Formas de Onda de Reflexión…” para iniciar la simulación. Altium Designer iterará a través de los diversos valores de resistencia y generará una serie de gráficos. Los resultados para las redes NC1 y NC2 se muestran en la figura a continuación.

Resultados de reflexión de señal para varias redes de adaptación

A partir de los resultados anteriores, podemos ver que la resistencia de adaptación en serie (los dos primeros gráficos) y la combinación de resistencias a VCC y a tierra en realidad no son las mejores opciones para esta placa. Ambos resultados ayudan a reducir algo el ringing, pero también necesitamos compensar el tiempo de subida lento. Por lo tanto, deberíamos probar una red diferente y repetir el proceso.

Aquí, podemos volver y elegir la red "Resistencia y Capacitor Paralelos a GND" y verificar cómo esta red afecta las señales en las redes NC1 y NC2. Los resultados para esta red se muestran a continuación. Para ver los valores de cada componente en la red, simplemente haz clic en una de las etiquetas en la leyenda en el lado derecho del gráfico. En esta placa, resulta que la red de trazas óptima utiliza una resistencia de 56.67 Ohm y un capacitor de 83.33 pF (la señal roja en el gráfico inferior).

Resultados de reflexión de señal para la red de resistencia/capacitor

Proceso para un Par Diferencial

Para examinar un par diferencial, puedes volver al diálogo de Integridad de Señal y examinar cada traza en el par diferencial. Si consideramos la fórmula de terminación en serie mostrada arriba, tenemos que recordar que la impedancia diferencial se define en términos de su impedancia de modo impar; ese es el valor utilizado para la terminación con resistencia en serie. Dado que la impedancia característica de una traza en un par diferencial siempre es mayor que la impedancia de modo impar, podemos escribir la siguiente relación:

Basado en esta desviación, el valor del resistor en serie requerido para una traza en un par diferencial será ligeramente menor que el valor de resistencia en serie determinado por la herramienta de integridad de señal:

Avanzando con el Enrutamiento Controlado por Impedancia

Sin duda, tu mejor opción es utilizar enrutamiento controlado por impedancia para que puedas asegurar que tus trazas tendrán valores de impedancia consistentes a lo largo de tu placa. Idealmente, esto ayudará a evitar la necesidad de aplicar una red de terminación a cada traza en tu placa, ahorrándote una cantidad significativa de tiempo de diseño.

Determinar la red de terminación correcta para usar en tu PCB es mucho más fácil cuando trabajas con un paquete de diseño de PCB que incluye herramientas de diseño y simulación de potencia. Con Altium Designer, tendrás control total sobre tu disposición de capas y diseño, y tus herramientas de simulación tomarán datos directamente de tu diseño. Estas herramientas son directamente adaptables a sistemas rígido-flexibles y de múltiples placas.

Descarga una prueba gratuita de Altium Designer para ver cómo las potentes herramientas de integridad de señal pueden ayudarte. Tendrás acceso a las mejores características de diseño que la industria exige en un solo programa. Habla hoy con un experto de Altium para aprender más.