Calcolo del Resistore di Terminazione in Serie

Con le linee di trasmissione, alcune cose sembrano non essere mai semplici. Determinare la tecnica di terminazione e i valori dei componenti in una rete di terminazione non dovrebbe essere un compito difficile. La maggior parte dei programmi di progettazione PCB ti costringe a cercare online calcolatori, oppure dovrai eseguire i calcoli manualmente. Invece, il tuo software di progettazione dovrebbe rendere facile testare una gamma di valori dei componenti nella tua rete di terminazione.

Alcuni componenti, tracce, coppie differenziali e interconnessioni che passano attraverso le vie devono essere abbinati in impedenza per evitare che si manifestino effetti della linea di trasmissione in circuiti ad alta velocità o ad alta frequenza. Anche se puoi tollerare piccole disadattanze di impedenza, alcuni driver di segnale avranno un'impedenza che non corrisponde al valore standard di 50 Ohm tipicamente usato con le tracce di segnale. Si dovrebbe notare che alcuni standard di routing e architettura informatica (ad es., PCIe Gen 2 e Gen 3) utilizzano anche un valore diverso per l'impedenza delle coppie differenziali.

Se hai determinato che la tua traccia inizierà a mostrare effetti della linea di trasmissione. In questo articolo, mostrerò come utilizzare gli strumenti di integrità del segnale in Altium Designer^® per determinare il valore corretto per una resistenza in serie.

Quale Rete di Terminazione Dovrei Usare?

Ci sono diverse risposte a questa domanda poiché esistono diverse possibili reti o terminazioni. Per i segnali digitali, preferiamo la terminazione resistiva perché i resistori sono componenti a banda larga. Possono essere utilizzati per terminare i driver fino a larghezze di banda molto elevate quando posizionati direttamente sul pin del driver di un IC. Al contrario, un'uscita RF o un'antenna preferirebbero una rete LC perché non vogliamo avere perdite di potenza resistive, e la posizione esatta dell'induttore e del condensatore (sia in serie che come elemento shunt) dipende da come è necessario spostare l'impedenza per adattarla alla frequenza di risonanza.

Riguardo alla terminazione resistiva, i due metodi comuni utilizzati sono la terminazione in serie (posizionata sul pin del driver) e la terminazione parallela (posizionata al ricevitore verso GND). Ci sono due cose importanti da ricordare sugli effetti della terminazione in serie:

Alcuni motivi per utilizzare la resistenza di terminazione in serie al driver includono:

1. Se la linea è abbastanza lunga da aspettarsi riflessioni da un carico non terminato, è necessario un elemento tra un driver non terminato e la traccia, e l'impedenza del driver del segnale è inferiore all'impedenza della tua traccia
2. Vuoi aumentare lo smorzamento visto in uscita per aiutare a sopprimere il rimbalzo di terra,NEXT, SSN, o oscillazione su una linea molto corta
3. Se il segnale prodotto dal driver deve essere rallentato, che potrebbe essere utilizzato in un'interfaccia veloce implementata in un FPGA o quando i segnali prodotti sono segnali di controllo che non forniscono un flusso di dati continuo

Nel punto #1, puoi posizionare una resistenza in serie all'uscita del tuo driver, ma questo è molto raro a meno che un bus digitale single-ended standard (come SPI) sia instradato su una distanza molto lunga e abbia un basso tempo di salita. Il punto #1 potrebbe anche essere utilizzato nel caso in cui vengono utilizzati componenti RF speciali, e questi componenti non hanno una terminazione integrata. Il punto #2 è più comune, specialmente quando il segnale è fornito da un processore moderno come un MCU, FPGA, o MPU.

Se hai determinato che hai bisogno di una terminazione in serie, come basato su un calcolo della lunghezza critica, il pacchetto del resistore dovrebbe essere il più piccolo pacchetto possibile che prevedi di assemblare sulla scheda ed è più semplice posizionarlo esattamente al pin di uscita del driver. Per determinare la resistenza in serie, devi o conoscere già l'impedenza di origine, o devi avere un modello di simulazione per il buffer di uscita del driver (come IBIS). Se conosci l'impedenza di uscita della sorgente, allora il requisito dell'impedenza di terminazione in serie è:

Ecco come farlo in simulazione se conosci la famiglia logica o hai un modello IBIS per il pin di uscita del driver.

Determinazione della Resistenza di Terminazione in Serie

Il metodo comune per determinare la resistenza di terminazione in serie dalla simulazione è iterare attraverso una gamma di valori di resistenze in serie. Una volta eseguito il simulatore, vedrai un grafico che mostra come ogni valore dei componenti nella rete influisce sul tuo segnale. Questo ti permette di determinare visivamente i migliori valori dei componenti da usare nella tua rete di terminazione.

• Scopri di più su come la terminazione in serie influisce sui livelli di tensione

Il processo qui sotto si applica sia ai segnali differenziali che ai segnali single-ended che non fanno parte di un'interfaccia standardizzata. Ricorda, un segnale differenziale può essere trattato come due segnali single-ended separati ognuno con un'impedenza in modalità dispari definita, quindi il metodo di terminazione in serie mostrato di seguito si applica a una traccia in una coppia differenziale così come a lungo termine, purché tu tenga conto della leggera deviazione tra l'impedenza in modalità dispari e quella single-ended.

Configurazione dello Strumento di Integrità del Segnale

Una volta che hai catturato lo schema e disposto il tuo circuito stampato, sei pronto per determinare la resistenza di terminazione appropriata per le tue tracce. Una volta che il tuo circuito è preparato, puoi accedere allo strumento di integrità del segnale in Altium Designer dal menu Strumenti -> Integrità del Segnale…

Accesso allo strumento di Integrità del Segnale in Altium Designer

Lo strumento di Integrità del Segnale deve essere configurato selezionando la famiglia logica per i pin sul driver e sul ricevitore, o aggiungendo modelli IBIS al componente. Puoi anche modificare lo stimolo del segnale utilizzato nella finestra di dialogo dell'Integrità del Segnale.

Una volta aperto lo strumento di Integrità del Segnale, dovresti vedere la finestra di dialogo di Integrità del Segnale mostrata nell'immagine qui sotto. Qui, dovrai selezionare quali reti di segnale vuoi esaminare. Puoi fare doppio clic sulle reti di segnale che desideri esaminare, e queste verranno aggiunte alla tabella sul lato destro della finestra di dialogo.

Scelta delle reti e delle reti di terminazione per la tua simulazione di integrità del segnale

Vedrai anche un elenco di reti di terminazione. Nell'esempio che segue, esamineremo due tracce a terminazione singola (NC1 e NC2). Nota che puoi cambiare il numero di passaggi, così come i parametri nella rete di terminazione. Potresti anche esaminare una delle coppie differenziali (ad es., NC3_P e NC3_N) utilizzando gli stessi passaggi presentati qui.

Risultati a Terminazione Singola

Esamineremo una rete di terminazione in serie, così come la rete di terminazione "Resistenze e Condensatori in Parallelo a GND". Nota che puoi scegliere i valori massimi e minimi per la tua simulazione, così come la tua tensione VCC.

Qui, puoi modificare i valori delle resistenze di terminazione nella tua rete di adattamento

Ora che hai impostato la simulazione, clicca sul pulsante "Forme d'onda di Riflessione..." per avviare la simulazione. Altium Designer itererà attraverso i vari valori di resistenza e genererà una serie di grafici. I risultati per le reti NC1 e NC2 sono mostrati nella figura sottostante.

Risultati della riflessione del segnale per varie reti di adattamento

Dai risultati sopra, possiamo vedere che la resistenza di adattamento in serie (i primi due grafici) e la combinazione di resistenze verso VCC e terra in realtà non sono le scelte migliori per questa scheda. Entrambi i risultati aiutano a ridurre in qualche modo il ringing, ma dobbiamo anche compensare il lento tempo di salita. Pertanto, dovremmo provare una rete diversa e ripetere il processo.

Qui, possiamo tornare indietro e scegliere la rete "Res & Cap paralleli a GND" e controllare come questa rete influisce sui segnali nelle maglie NC1 e NC2. I risultati per questa rete sono mostrati di seguito. Per vedere i valori di ogni componente nella rete, basta cliccare su una delle etichette nella legenda sul lato destro del grafico. In questa scheda, risulta che la rete di tracce ottimale utilizza una resistenza da 56,67 Ohm e un condensatore da 83,33 pF (il segnale rosso nel grafico in basso).

Risultati della riflessione del segnale per la rete resistore/condensatore

Processo per una Coppia Differenziale

Per esaminare una coppia differenziale, puoi tornare al dialogo di Integrità del Segnale ed esaminare ogni traccia nella coppia differenziale. Se consideriamo la formula di terminazione in serie mostrata sopra, dobbiamo ricordare che l'impedenza differenziale è definita in termini della sua impedenza in modo dispari; questo è il valore utilizzato per la terminazione con resistore in serie. Poiché l'impedenza caratteristica di una traccia in una coppia differenziale è sempre maggiore dell'impedenza in modo dispari, possiamo scrivere la seguente relazione:

Basandosi su questa deviazione, il valore del resistore in serie richiesto per una traccia in una coppia differenziale sarà leggermente inferiore rispetto al valore della resistenza in serie determinato dallo strumento di integrità del segnale:

Andare Oltre con il Routing Controllato dell'Impedenza

Senza dubbio, la tua migliore opzione è utilizzare il routing controllato dell'impedenza in modo da poter garantire che le tue tracce avranno valori di impedenza consistenti in tutta la tua scheda. Idealmente, ciò aiuterà ad evitare la necessità di applicare una rete di terminazione ad ogni singola traccia sulla tua scheda, risparmiandoti una quantità significativa di tempo di progettazione.

Determinare la rete di terminazione giusta da usare nel tuo PCB è molto più facile quando lavori con un pacchetto di progettazione PCB che include strumenti di progettazione e simulazione di potenza. Con Altium Designer, avrai il pieno controllo sulla disposizione dei tuoi strati e sulla progettazione, e i tuoi strumenti di simulazione prenderanno i dati direttamente dal tuo layout. Questi strumenti sono direttamente adattabili a sistemi rigido-flessibili e multi-scheda.

Scarica una prova gratuita di Altium Designer per vedere come gli potenti strumenti di integrità del segnale possono aiutarti. Avrai accesso alle migliori funzionalità di progettazione richieste dall'industria in un unico programma. Parla oggi con un esperto Altium per saperne di più.