Méthodes de terminaison dans les PCB à haute vitesse et haute fréquence

Le sujet de la terminaison surgira inévitablement lorsqu'on traite de systèmes numériques à haute vitesse. La plupart des systèmes numériques possèdent au moins une interface normalisée à haute vitesse, ou éventuellement des GPIOs rapides qui produisent des signaux à taux de transition rapide. Les systèmes avancés auront de nombreuses interfaces normalisées qui ont également une terminaison appliquée, normalement sur la puce semi-conductrice. Si vous déterminez que vous avez réellement besoin d'une terminaison, quelle méthode devrait être utilisée ?

Il s'avère que l'application de terminaisons discrètes n'est pas très courante dans la plupart des systèmes numériques parce que tant de composants mettent en œuvre des bus normalisés pour la communication numérique. Mais si vous traitez avec des composants avancés qui ont des E/S rapides, alors vous pourriez avoir besoin d'appliquer manuellement une terminaison avec des composants discrets. L'autre cas où cela se présente est avec la logique spécialisée, comme cela est parfois utilisé dans certains processeurs et FPGAs. Enfin, il y a la question de la terminaison RF, qui est très différente de la terminaison dans les systèmes numériques.

Quand et Comment Appliquer une Terminaison

Comme mentionné ci-dessus, il existe une gamme étroite de cas où la terminaison avec des composants discrets doit être appliquée manuellement.

• Votre interface ne dispose pas d'une spécification d'impédance
• Vos fiches techniques indiquent qu'une terminaison manuelle est nécessaire
• La spécification de votre interface exige une terminaison spécifique (par exemple, DDR, terminaison Bob Smith dans Ethernet)

L'adaptation d'impédance en RF et numérique est quelque peu différente. Globalement, l'objectif est le même : le signal envoyé dans une ligne de transmission devrait subir une perte minimale pendant la propagation et être enregistré au niveau de tension/puissance correct par le composant récepteur. Le tableau ci-dessous compare les méthodes de terminaison utilisées en numérique et en RF :

Le point suivant à comprendre est la sélection appropriée d'une méthode de terminaison pour votre système particulier. Les sections ci-dessous fournissent des aperçus succincts et des liens vers des ressources concernant les différents types de terminaisons qui peuvent être utilisés dans les interconnexions à extrémité unique, différentielles et RF.

Terminaison en Série

Cette méthode de terminaison implique de placer une résistance en série juste à la sortie du pilote. Techniquement, les lignes de transmission sont des systèmes linéaires et une résistance en série pourrait être placée n'importe où le long de l'interconnexion. Cependant, il est préférable de placer la résistance en série juste à la sortie du pilote car cela fournit une mise à l'échelle la plus précise du signal de sortie et la suppression correcte des réflexions.

• Calcul de la Résistance de Terminaison en Série
• Amortissement et Transfert de Réflexion avec une Résistance de Terminaison en Série

Les valeurs de résistance en série nécessaires pour la terminaison peuvent être difficiles à déterminer car les données requises ne sont pas toujours présentes dans une fiche technique. Au lieu de cela, elles doivent être déterminées à partir d'un bon modèle IBIS connu pour la broche de commande, ou elles doivent être déterminées par mesure. Par conséquent, il est parfois plus souhaitable d'utiliser une terminaison parallèle.

Terminaison Parallèle

La terminaison parallèle est utilisée pour supprimer les réflexions au niveau d'un récepteur tout en garantissant que la tension à pleine échelle est reçue par la broche d'entrée de la charge. Par conséquent, elle doit être placée juste à la broche d'entrée sur le composant de charge, et la valeur de la résistance est réglée pour être égale à l'impédance de la ligne de transmission.

• Forme d'onde et explication de la terminaison parallèle
• Terminateur parallèle dans les lignes ramifiées

Dans certains cas particuliers, la terminaison parallèle et la terminaison en série peuvent être utilisées ensemble sur le même interconnect, mais cela n'est pas courant. Cela se trouve plus souvent dans la logique spécialisée, où le niveau de signal de sortie peut devoir être intentionnellement décalé vers une tension plus basse, mais pas nécessairement avec une résistance en série parfaitement adaptée. Un autre cas est celui où un concepteur tente de supprimer le rebond de masse en plaçant une résistance en série pour l'amortissement, mais la réflexion sur la charge est toujours supprimée avec une terminaison parallèle.

Terminaison Thevenin, Pull-Up et AC

La terminaison Thevenin, la terminaison pull-up et la terminaison AC sont tous des types de terminaisons parallèles appliquées à la broche d'entrée d'un composant récepteur. Elles effectuent essentiellement la même fonction que la simple terminaison parallèle avec une résistance, mais avec quelques conséquences supplémentaires.

• Thévenin - ajuste le niveau de tension et tire de la puissance d'une tension d'alimentation alternative
• Montée - force le signal à basculer autour d'un certain niveau de tension de terminaison ; peut être utilisé pour l'inversion logique
• Terminaison AC - limite la bande passante du canal aux fréquences inférieures et fournit une fonction de filtrage

Parmi ces trois types de terminaisons, Thévenin et la montée sont plus souvent utilisés. Vous êtes plus susceptible de les voir implémentés sur la puce semi-conductrice plutôt qu'avec des composants discrets. Si utilisés avec des discrets, il s'agit probablement d'un cas de logique spécialisée. Les trois terminaisons peuvent être trouvées dans les interfaces différentielles dans le cadre d'une terminaison divisée.

Terminaison RF

L'utilisation de la terminaison RF implique essentiellement la mise en place de filtres à la sortie d'un pilote ou à l'entrée d'un récepteur/charge de sorte que l'impédance de sortie d'une source atteigne une impédance cible. Les circuits d'adaptation d'impédance RF devraient idéalement avoir une résistance nulle, ce qui signifie qu'ils devraient uniquement utiliser des composants réactifs. La raison en est que nous préférerions ne perdre aucune puissance alors qu'un signal interagit avec le réseau d'adaptation d'impédance.

Les résistances sont des composants de terminaison large bande, donc nous voulons les utiliser avec des signaux large bande comme les signaux numériques. Les réseaux d'adaptation d'impédance réactifs produisent une adaptation d'impédance uniquement dans une certaine bande passante :

• Les circuits de terminaison à composants réactifs créent des bandes passantes à haute ou basse qualité (Q)
• Plusieurs composants réactifs peuvent être combinés en étages pour produire des filtres d'ordre supérieur
• Certains circuits présenteront une ondulation dans leur bande passante, qui dépend de la topologie du réseau de terminaison

Une autre méthode qui n'implique pas l'utilisation de composants discrets est l'utilisation de sections de ligne de transmission. Ces sections appliquent uniquement l'adaptation d'impédance dans des largeurs de bande à très haute qualité (Q) et sont mieux utilisées avec des signaux harmoniques. Pour comprendre pourquoi ces points sont importants, lisez les liens ci-dessous.

• Conception de transformateur quart d'onde pour charges réelles et réactives
• Simulation des paramètres S du réseau d'adaptation d'impédance
• Comment concevoir un évasement de trace RF pour l'adaptation d'impédance

Au-dessus de quelques GHz, la terminaison avec des composants discrets ne fonctionnera pas comme prévu en raison de la présence de composants parasites. C'est pourquoi les composants fonctionnant à plusieurs GHz ont tendance à placer des éléments d'adaptation d'impédance directement sur la puce semi-conductrice afin que les broches de sortie correspondent directement à 50 Ohms. Jusqu'à quelques GHz, le placement et les valeurs utilisés dans les composants discrets doivent être simulés et mesurés.

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