Métodos de terminación en PCBs de alta velocidad y alta frecuencia

El tema de la terminación inevitablemente surgirá al tratar con sistemas digitales de alta velocidad. La mayoría de los sistemas digitales tienen al menos una interfaz de alta velocidad estandarizada, o posiblemente GPIOs rápidos que producen señales de transición rápida. Los sistemas avanzados tendrán muchas interfaces estandarizadas a las cuales también se les aplica terminación, normalmente en el chip semiconductor. Si determinas que realmente necesitas terminación, ¿qué método se debería utilizar?

Resulta que la aplicación de terminadores discretos no es muy común en la mayoría de los sistemas digitales porque muchos componentes implementan buses estandarizados para la comunicación digital. Pero si estás tratando con componentes avanzados que tienen E/S rápidas, entonces podrías necesitar aplicar manualmente la terminación con componentes discretos. La otra instancia donde esto surge es con lógica especializada, como se usa a veces en ciertos procesadores y FPGAs. Finalmente, está el asunto de la terminación RF, que es muy diferente de la terminación en sistemas digitales.

Cuándo y Cómo Aplicar la Terminación

Como se mencionó anteriormente, hay un rango estrecho de casos donde la terminación con componentes discretos necesita ser aplicada manualmente.

• Su interfaz no tiene una especificación de impedancia
• Sus hojas de datos indican que se necesita terminación manual
• La especificación de su interfaz exige una terminación específica (por ejemplo, DDR, terminación de Bob Smith en Ethernet)

La coincidencia de impedancias en RF y digital son algo diferentes. En general, el objetivo es el mismo: la señal enviada a una línea de transmisión debe experimentar la mínima pérdida durante la propagación y ser registrada en el nivel de voltaje/potencia correcto por el componente receptor. La tabla a continuación compara los métodos de terminación utilizados en digital y RF:

El siguiente punto a entender es la selección adecuada de un método de terminación para su sistema particular. Las secciones a continuación proporcionan resúmenes breves y enlaces a recursos sobre los diversos tipos de terminaciones que pueden usarse en interconexiones de extremo único, diferenciales y de RF.

Terminación en Serie

Este método de terminación implica colocar una resistencia en serie justo en el pin de salida del controlador. Técnicamente, las líneas de transmisión son sistemas lineales y una resistencia en serie podría colocarse en cualquier punto a lo largo de la interconexión. Sin embargo, es preferible colocar la resistencia en serie justo en la salida del controlador ya que esto proporciona la escala más precisa de la señal de salida y la supresión de reflexiones correcta.

• Cálculo de la Resistencia de Terminación en Serie
• Amortiguación y Transferencia de Reflexión con una Resistencia de Terminación en Serie

Los valores de las resistencias en serie necesarios para la terminación pueden ser difíciles de determinar ya que los datos requeridos no siempre están presentes en una hoja de datos. En su lugar, necesita determinarse a partir de un buen modelo IBIS conocido para el pin de salida, o necesita determinarse mediante medición. Por lo tanto, a veces es más deseable usar la terminación paralela.

Terminación Paralela

La terminación paralela se utiliza para suprimir la reflexión en un receptor, asegurando al mismo tiempo que el voltaje de escala completa sea recibido por el pin de entrada de la carga. Por lo tanto, necesita ser colocada justo en el pin de entrada en el componente de carga, y el valor de la resistencia se establece igual a la impedancia de la línea de transmisión.

• Forma de Onda y Explicación de la Terminación Paralela
• Terminador Paralelo en Líneas Ramificadas

En algunos casos especiales, la terminación paralela y la terminación en serie pueden usarse juntas en el mismo interconector, pero esto no es común. Esto se encuentra más a menudo en lógica especializada, donde el nivel de señal de salida puede necesitar ser intencionalmente desplazado a un voltaje más bajo, pero no necesariamente con una resistencia en serie perfectamente emparejada. Otra instancia es donde un diseñador intenta suprimir el rebote de tierra colocando una resistencia en serie para amortiguación, pero la reflexión en la carga todavía se suprime con la terminación paralela.

Terminación Thevenin, Pull-Up y AC

La terminación Thevenin, la terminación pull-up y la terminación AC son todos tipos de terminaciones paralelas aplicadas en el pin de entrada de un componente receptor. Básicamente realizan la misma función que una simple terminación paralela con una resistencia, pero con algunas consecuencias adicionales.

• Thevenin - ajusta el nivel de voltaje y extrae energía de un voltaje de suministro alternativo
• Pull-up - fuerza a la señal a cambiar alrededor de algún nivel de voltaje terminal; puede ser utilizado para la inversión lógica
• Terminación AC - limita el ancho de banda del canal a frecuencias más bajas y proporciona una función de filtrado

Entre estos tres tipos de terminaciones, Thevenin y pull-up se utilizan más a menudo. Es más probable que veas estos implementados en el dado de semiconductores en lugar de con componentes discretos. Si se utilizan con componentes discretos, probablemente sea un caso de lógica especial. Las tres terminaciones se pueden encontrar en interfaces diferenciales como parte de la terminación dividida.

Terminación RF

El uso de la terminación RF implica esencialmente la colocación de filtros en la salida de un controlador o en la entrada de un receptor/carga de modo que la impedancia de salida de una fuente alcance una impedancia objetivo. Los circuitos de adaptación de impedancia RF idealmente deberían tener cero resistencia, lo que significa que solo deberían usar componentes reactivos. La razón es que preferiríamos no perder ninguna potencia a medida que una señal interactúa con la red de adaptación de impedancia.

Los resistores son componentes de terminación de banda ancha, por lo tanto, queremos usarlos con señales de banda ancha como las señales digitales. Las redes de adaptación de impedancia reactiva producen una adaptación de impedancia solo dentro de un cierto ancho de banda:

• Los circuitos de terminación con componentes reactivos crean bandas de paso de alta-Q o baja-Q
• Varios componentes reactivos pueden combinarse en etapas para producir filtros de orden superior
• Algunos circuitos tendrán ondulaciones en su banda de paso, lo cual depende de la topología de la red de terminación

Otro método que no involucra el uso de componentes discretos es el uso de secciones de línea de transmisión. Estas secciones solo aplican la adaptación de impedancia en anchos de banda de muy alta-Q y se utilizan mejor con señales armónicas. Para entender por qué estos puntos son importantes, lee los enlaces a continuación.

• Diseño de Transformador de Cuarto de Onda para Cargas Reales y Reactivas
• Simulación de Parámetros-S en Redes de Adaptación de Impedancia
• Cómo Diseñar un Taper de Trazo RF para la Adaptación de Impedancia

Por encima de unos pocos GHz, la terminación con componentes discretos no funcionará como se diseñó debido a la presencia de parásitos. Es por esto que los componentes que operan a muchos GHz tienden a colocar elementos de adaptación de impedancia directamente en el dado del semiconductor para que los pines de salida coincidan directamente con 50 Ohms. Hasta unos pocos GHz, la colocación y los valores utilizados en componentes discretos necesitan ser simulados y medidos.

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