Calcul de la résistance de terminaison en série

Avec les lignes de transmission, certaines choses ne semblent jamais être simples. Déterminer la technique de terminaison et les valeurs des composants dans un réseau de terminaison ne devrait pas être une tâche difficile. La plupart des programmes de conception de PCB vous obligent à chercher en ligne des calculateurs, ou vous devrez effectuer les calculs à la main. Au lieu de cela, votre logiciel de conception devrait faciliter le test d'une gamme de valeurs de composants dans votre réseau de terminaison.

Certains composants, pistes, paires différentielles et interconnexions qui passent par des vias doivent être adaptés en impédance afin d'éviter que les effets de ligne de transmission n'apparaissent dans les circuits à haute vitesse ou à haute fréquence. Bien que vous puissiez tolérer de petits désaccords d'impédance, certains pilotes de signal auront une impédance qui ne correspond pas à la valeur standard de 50 Ohms généralement utilisée avec les pistes de signal. Il convient de noter que certaines normes de routage et d'architecture informatique (c'est-à-dire, PCIe Gen 2 et Gen 3) utilisent également une valeur différente pour l'impédance des paires différentielles.

Si vous avez déterminé que votre piste commencera à présenter des effets de ligne de transmission. Dans cet article, je montrerai comment utiliser les outils d'intégrité de signal dans Altium Designer^® pour déterminer la valeur correcte pour une résistance en série.

Quel réseau de terminaison devrais-je utiliser ?

Il existe plusieurs réponses à cette question car il y a plusieurs réseaux possibles ou terminaisons. Pour les signaux numériques, nous préférons la terminaison résistive parce que les résistances sont des composants à large bande. Elles peuvent être utilisées pour terminer des pilotes jusqu'à des largeurs de bande très élevées lorsqu'elles sont placées directement sur la broche du pilote d'un CI. En revanche, une sortie RF ou une antenne préférera un réseau LC parce que nous ne voulons pas avoir de perte de puissance résistive, et le placement exact de l'inducteur et du condensateur (soit en série, soit en tant qu'élément shunt) dépend de la manière dont vous devez décaler l'impédance afin de correspondre à la fréquence de résonance.

Concernant la terminaison résistive, les deux méthodes courantes utilisées sont la terminaison en série (placée au niveau de la broche du pilote) et la terminaison parallèle (placée au niveau du récepteur vers le GND). Il y a deux choses importantes à retenir concernant les effets de la terminaison en série :

Quelques raisons d'utiliser une résistance de terminaison en série au niveau du pilote incluent :

1. Si la ligne est suffisamment longue pour que vous vous attendiez à des réflexions provenant d'une charge non terminée, il est nécessaire d'insérer un élément entre un pilote non terminé et la trace, et l'impédance du pilote de signal est inférieure à l'impédance de votre trace
2. Vous souhaitez augmenter l'amortissement vu à la sortie pour aider à supprimer le rebond de masse,le NEXT, le SSN, ou l'oscillation sur une ligne très courte
3. Si le signal produit par le pilote doit être ralenti, ce qui pourrait être utilisé dans une interface rapide instanciée dans un FPGA ou lorsque les signaux produits sont des signaux de contrôle qui ne fournissent pas un flux de données continu

Dans le point #1, vous pouvez placer une résistance en série à la sortie de votre pilote, mais cela est très peu commun à moins qu'un bus numérique unifilaire standard (tel que SPI) soit routé sur une très longue distance et ait un faible temps de montée. Le point #1 pourrait également être utilisé dans le cas où des composants RF spécialisés sont utilisés, et ces composants n'ont pas de terminaison intégrée. Le point #2 est plus courant, surtout lorsque le signal est fourni par un processeur moderne comme un MCU, FPGA, ou MPU.

Si vous avez déterminé que vous avez besoin d'une terminaison en série, comme basé sur un calcul de longueur critique, le boîtier de résistance devrait être le plus petit boîtier possible que vous prévoyez d'assembler sur la carte et il est plus simple de le placer exactement à la broche de sortie du pilote. Pour déterminer la résistance en série, vous devez soit connaître l'impédance de source déjà, soit avoir un modèle de simulation pour le tampon de sortie du pilote (comme IBIS). Si vous connaissez l'impédance de sortie de la source, alors l'exigence d'impédance de terminaison en série est :

Voici comment le faire en simulation si vous connaissez la famille logique ou si vous avez un modèle IBIS pour la broche de sortie du pilote.

Détermination de la Résistance de Terminaison en Série

La méthode commune pour déterminer la résistance de terminaison en série à partir de la simulation consiste à itérer à travers une gamme de valeurs de résistances en série. Une fois que vous lancez le simulateur, vous verrez un graphique qui montre comment chaque valeur de composant dans le réseau affecte votre signal. Cela vous permet de déterminer visuellement les meilleures valeurs de composants à utiliser dans votre réseau de terminaison.

• Apprenez-en plus sur comment la terminaison en série affecte les niveaux de tension

Le processus ci-dessous s'applique à la fois aux signaux différentiels et aux signaux à extrémité unique qui ne font pas partie d'une interface standardisée. Rappelez-vous, un signal différentiel peut être traité comme deux signaux à extrémité unique séparés chacun avec une impédance en mode impair définie, donc la méthode de terminaison en série présentée ci-dessous s'applique à une piste dans une paire différentielle tant que vous prenez en compte la légère déviation entre l'impédance en mode impair et l'impédance à extrémité unique.

Configuration de l'outil d'intégrité du signal

Une fois que vous capturez votre schéma et agencez votre carte, vous êtes prêt à déterminer la résistance de terminaison appropriée pour vos pistes. Une fois votre carte préparée, vous pouvez accéder à l'outil d'intégrité du signal dans Altium Designer depuis le menu Outils -> Intégrité du Signal…

Accès à l'outil d'intégrité du signal dans Altium Designer

L'outil d'intégrité du signal doit être configuré soit en sélectionnant la famille logique pour les broches sur le pilote et le récepteur, soit en ajoutant des modèles IBIS au composant. Vous pouvez également modifier le stimulus du signal utilisé dans la boîte de dialogue Intégrité du Signal.

Une fois que vous avez ouvert l'outil d'intégrité du signal, vous devriez voir apparaître la boîte de dialogue d'intégrité du signal montrée dans l'image ci-dessous. Ici, vous devrez sélectionner les réseaux de signaux que vous souhaitez examiner. Vous pouvez double-cliquer sur les réseaux de signaux que vous voulez examiner, et ceux-ci seront ajoutés au tableau sur le côté droit de la boîte de dialogue.

Choisir les réseaux et les réseaux de terminaison pour votre simulation d'intégrité du signal

Vous verrez également une liste de réseaux de terminaison. Dans l'exemple qui suit, nous allons examiner deux traces à extrémité unique (NC1 et NC2). Notez que vous pouvez changer le nombre de balayages, ainsi que les paramètres dans le réseau de terminaison. Vous pourriez également examiner l'une des paires différentielles (par exemple, NC3_P et NC3_N) en utilisant les mêmes étapes présentées ici.

Résultats à Extrémité Unique

Nous examinerons un réseau de terminaison en série, ainsi que le réseau de terminaison "Résistance & Condensateur en parallèle vers la masse". Notez que vous pouvez choisir les valeurs maximales et minimales pour votre balayage, ainsi que votre tension VCC.

Ici, vous pouvez modifier les valeurs des résistances de terminaison dans votre réseau d'adaptation

Maintenant que vous avez configuré la simulation, cliquez sur le bouton "Formes d'onde de réflexion..." pour démarrer la simulation. Altium Designer va itérer à travers les différentes valeurs de résistances et générer une série de graphiques. Les résultats pour les réseaux NC1 et NC2 sont montrés dans la figure ci-dessous.

Résultats de réflexion de signal pour divers réseaux d'adaptation

D'après les résultats ci-dessus, nous pouvons voir que la résistance de matching en série (les deux graphiques du haut) et la combinaison de résistances vers VCC et la masse ne sont en fait pas les meilleurs choix pour cette carte. Les deux résultats aident à réduire quelque peu l'oscillation, mais nous devons également compenser le temps de montée lent. Par conséquent, nous devrions essayer un réseau différent et répéter le processus.

Ici, nous pouvons revenir en arrière et choisir le réseau « Résistance & Capacité parallèles à la masse » et vérifier comment ce réseau affecte les signaux dans les réseaux NC1 et NC2. Les résultats pour ce réseau sont présentés ci-dessous. Pour voir les valeurs de chaque composant dans le réseau, il suffit de cliquer sur l'une des étiquettes dans la légende sur le côté droit du graphique. Sur cette carte, il s'avère que le réseau de traces optimal utilise une résistance de 56,67 Ohms et un condensateur de 83,33 pF (le signal rouge dans le graphique du bas).

Résultats de la réflexion du signal pour le réseau résistance/condensateur

Processus pour une paire différentielle

Pour examiner une paire différentielle, vous pouvez revenir au dialogue d'Intégrité du Signal et examiner chaque trace dans la paire différentielle. Si nous considérons la formule de terminaison en série montrée ci-dessus, nous devons nous rappeler que l'impédance différentielle est définie en termes de son impédance en mode impair ; c'est la valeur utilisée pour la terminaison par résistance en série. Étant donné que l'impédance caractéristique d'une trace dans une paire différentielle est toujours supérieure à l'impédance en mode impair, nous pouvons écrire la relation suivante :

En fonction de cette déviation, la valeur de la résistance en série requise pour une piste dans une paire différentielle sera légèrement inférieure à la valeur de résistance en série déterminée par l'outil d'intégrité du signal :

Aller plus loin avec le routage contrôlé par impédance

Sans aucun doute, votre meilleure option est d'utiliser le routage contrôlé par impédance afin de pouvoir garantir que vos pistes auront des valeurs d'impédance constantes sur toute votre carte. Idéalement, cela aidera à éviter le besoin d'appliquer un réseau de terminaison à chaque piste de votre carte, vous faisant économiser une quantité significative de temps de conception.

Déterminer le bon réseau de terminaison à utiliser dans votre PCB est beaucoup plus facile lorsque vous travaillez avec un package de conception de PCB qui inclut des outils de conception et de simulation de puissance. Avec Altium Designer, vous aurez un contrôle total sur l'agencement de vos couches et la conception, et vos outils de simulation prendront directement les données de votre mise en page. Ces outils sont directement adaptables aux systèmes rigides-flexibles et multi-cartes.

Téléchargez un essai gratuit d'Altium Designer pour voir comment les puissants outils d'intégrité du signal peuvent vous aider. Vous aurez accès aux meilleures fonctionnalités de conception que l'industrie exige dans un seul programme. Parlez à un expert Altium aujourd'hui pour en savoir plus.