Smorzamento e Trasferimento di Riflessione con una Resistenza di Terminazione in Serie

L'adattamento dell'impedenza di traccia, sorgente e carico è importante nelle schede che contengono linee di trasmissione. Per raggiungere queste condizioni, potresti vedere alcuni progetti che utilizzano una resistenza di terminazione in serie su linee di trasmissione monodirezionali. Il motivo per farlo è talvolta rallentare un segnale, o talvolta impostare l'impedenza di uscita del driver, a seconda di chi chiedi.

Per quanto possa sorprendere, il posizionamento delle resistenze in serie per la terminazione è talvolta frainteso. Alcune delle domande che sorgono sono:

• Quando è necessario posizionare manualmente le resistenze in serie?
• Quando ci si può affidare semplicemente alla progettazione di una linea di trasmissione verso un'impedenza target?
• Cosa fare in caso di linee di trasmissione corte rispetto a quelle lunghe?
• In che modo la capacità di carico e il rimbalzo di terra influenzano l'integrità del segnale con una resistenza in serie?
• C'è differenza tra linee monodirezionali e differenziali?
• Cosa si dovrebbe fare se uno standard di segnalazione non ha un requisito di impedenza (ad esempio, SPI o I2C)

In questo articolo, esaminerò alcune delle domande sopra citate dalla prospettiva dei GPIO veloci e dei bus seriali. Spesso guardiamo a uno standard come SPI, ed è facile presumere che la terminazione non sia necessaria perché non è specificato alcun requisito di impedenza, e il bus funzionerà lentamente. Questo non è vero in tutti i casi, e il posizionamento di qualsiasi resistore di terminazione influenzerà il tempo di salita del segnale iniettato, l'impedenza in ingresso della traccia e la riduzione dell'overshoot sulla linea.

Due Funzioni di un Resistore di Terminazione in Serie su Linee a Singolo Terminale

I motivi tipici per utilizzare la terminazione in serie sono i seguenti:

• Il bus non ha una specifica di impedenza
• L'impedenza di uscita e il livello del segnale vengono regolati su un valore target per la logica specializzata
• Il driver push-pull commuta molto velocemente (può essere basso come pochi ns)
• Il tempo di salita del segnale visto al ricevitore dipende dalla capacità di carico
• L'impedenza di uscita dal driver è tipicamente bassa
• C'è del ringing sulla linea

L'ultimo punto potrebbe essere causato da due fattori: riflessione su una linea di trasmissione lunga, o eccitazione di una risposta transitoria su una linea corta. Il primo è relativo alla mancata corrispondenza di impedenza, mentre il secondo è invece relativo agli stessi fattori che causano il rimbalzo di terra.

Riflessione su una linea lunga:La terminazione in serie è talvolta utilizzata alla sorgente poiché l'impedenza di uscita del driver è sempre inferiore all'impedenza unilaterale della linea di trasmissione. Nel caso ideale l'impedenza di uscita è 0 Ohm, ma in generale sarà un piccolo valore non nullo. Il modo più semplice per dimensionare il valore della resistenza di terminazione è sottrarre l'impedenza di uscita dall'impedenza della linea di trasmissione:

Smorzamento su una linea di risonanza corta: Un resistore di terminazione in serie può essere utilizzato per aumentare la costante di smorzamento nel circuito equivalente per una linea di trasmissione. Se il resistore di terminazione in serie assume il valore giusto, è possibile smorzare criticamente qualsiasi oscillazione transitoria che può verificarsi in una linea corta:

Si noti che Z(smorzamento) non è sempre uguale a Z(TL). Entrambi i casi si basano sulla conoscenza dell'impedenza di uscita del driver.

Ad esempio, se l'impedenza di uscita del tuo driver varia da 20 a 30 Ohm negli stati ON e OFF, rispettivamente, allora il miglior resistore di terminazione in serie da utilizzare è di 25 Ohm. Questo definirà un'impedenza di 45 a 55 Ohm alla sorgente, il che ti colloca ben dentro una variazione di +/- 10% di un obiettivo di impedenza della traccia di 50 Ohm, assumendo che non ci siano altri fattori che causano variazioni dell'impedenza di uscita. Grazie a Dr. Howard Johnson per averlo sottolineato.

Resistore in Serie in Linee Singole di Risonanza Corte

In una breve linea di trasmissione a singolo terminale, il segnale è generalmente in aumento su tutta la linea di trasmissione. Questo significa che la capacità di carico si sta caricando mentre il segnale viene ancora iniettato nella linea di trasmissione. In questo caso, diremmo che la linea di trasmissione è sotto la sua lunghezza critica. In questo caso, la capacità di carico avrà due effetti qui:

1. La capacità di carico contribuisce alla capacità totale vista dal segnale
2. Se c'è un'eccessiva induttanza nel percorso del segnale, si può verificare un forte rimbalzo di terra

Per quanto riguarda la modellazione della risposta, è possibile trattare il canale come un circuito RLC aggregato come mostrato di seguito. Il circuito RLC aggregato include l'induttanza totale di L1 + L2 quando è spento, o L3 + L2 quando è acceso; la capacità proviene dalla capacità di carico e dalla capacità della traccia. Generalmente ignoriamo R1 quando analizziamo questo poiché la resistenza sarà molto bassa (valore in mOhm) nello stato ON.

Se analizzate il modello RLC equivalente che definisce una linea di trasmissione con una resistenza di terminazione in serie, potete rapidamente determinare il livello di smorzamento fornito dalla presenza di una resistenza di terminazione in serie. Poiché si tratta di un circuito RLC, può mostrare un'oscillazione che si sovrappone al livello del segnale ON o OFF. Questo transitorio sarà visto come un overshoot ad alta frequenza al ricevitore, quindi sarebbe desiderabile smorzare questo overshoot se possibile.

Quando la linea di trasmissione è criticamente smorzata, un'oscillazione transitoria sarà completamente soppressa pur avendo ancora il tempo di salita più veloce. Come aggiungereste lo smorzamento? Lo fareste con una resistenza in serie, e una resistenza in serie scelta correttamente vi porterà allo smorzamento critico. Se calcolate la frequenza dell'oscillazione transitoria e lo smorzamento in questo modello RLC, potete determinare il valore della resistenza di terminazione in serie necessaria per produrre uno smorzamento critico:

È effettivamente possibile smorzare criticamente la risposta? La risposta è "forse"...

Si può immediatamente vedere che l'impedenza di uscita della sorgente e la resistenza di terminazione in serie potrebbero essere quasi il doppio dell'impedenza equivalente del canale per raggiungere lo smorzamento critico, in particolare quando l'impedenza della sorgente è molto piccola. Notate che abbiamo i seguenti parametri che ci danno l'induttanza totale e l'impedenza:

• C(linea) - Tipicamente da 2 a 3 pF/pollice
• C(carico) - Da 1 a 10 pF (potrebbe essere maggiore)
• L(linea) - Tipicamente da 5 a 10 nH/pollice
• L(1) e L(3) - Ordine di ~1 nH a causa di eventuali vie e telaio di collegamento
• Z(sorgente) - Potrebbe arrivare fino a 20 Ohm per un tipico bus push-pull che non ha una specifica di impedenza

Dato che questi parametri si sommano sia al numeratore che al denominatore, possiamo vedere che dobbiamo avere la resistenza in serie almeno uguale all'impedenza caratteristica per raggiungere lo smorzamento critico. Ovviamente, data la perdita di potenza sulla resistenza in serie, potresti non avere abbastanza segnale rimasto al ricevitore per cambiare lo stato logico. A mio parere, resistenze più piccole (22 o 33 Ohm) sono migliori e comunemente le vedo su molti progetti.

Esempio su una Linea Elettricamente Corta (1 pollice)

Vediamo un esempio:

1. Supponiamo che nell'esempio sopra, terra e alimentazione abbiano connessioni tramite via con L(via) = 1 nH. Se abbiamo una linea di 1 pollice con C(carico) = 4 pF, L(linea) = 7,5 nH/pollice, e C(linea) = 3 pF/pollice. La resistenza totale della sorgente richiesta per raggiungere lo smorzamento critico sarà di 70 Ohm.
2. Se l'impedenza di uscita dell'I/O è di 10 Ohm, allora la resistenza in serie dovrà essere di 60 Ohm
3. La frequenza di risonanza smorzata sarà di 646 MHz, risultando in un periodo di oscillazione sottosmorzato di 1,55 ns.

Poiché l'impedenza caratteristica della linea mira a 50 Ohm, e si vede la risonanza su un oscilloscopio, potrebbe essere naturale assumere che il ronzio provenga da riflessioni e una terminazione della resistenza in serie di 40 Ohm eliminerà il ronzio. In realtà, poiché il ronzio è effettivamente dovuto a una risonanza eccitata nella linea corta, lo smorzamento completo del ronzio non si verifica a meno che non si sovradimensioni la resistenza in serie.

Lo Smorzamento e l'Adattamento Hanno un Compromesso

Il sopra illustrato dimostra che esiste un compromesso tra smorzamento e adattamento dell'impedenza: non si può smorzare criticamente la risposta e adattare perfettamente l'impedenza simultaneamente senza perdere un po' di potenza sulla resistenza in serie. Se si adatta esattamente l'impedenza della sorgente a quella della linea di trasmissione, si creano due problemi:

• Si produce un'oscillazione sottosmorzata quando il driver cambia stato.
• Si perde un po' di potenza sulla resistenza in serie e si potrebbe non registrare la tensione corretta sul carico a meno che il carico non abbia un'alta impedenza come definito dalla sua capacità di carico.

Questo è il motivo per cui optiamo invece per un condensatore di bypass come soluzione a questo problema. Il modello risultante assomiglierebbe a quello sottostante, dove il condensatore di bypass è effettivamente in serie per compensare l'oscillazione transitoria e il rimbalzo di terra.

I condensatori di bypass eliminano la necessità di una resistenza in serie? Anche in questo caso, la risposta è "forse". Io sostengo che si dovrebbe seguire il processo seguente:

1. Applica prima il condensatore di bypass raccomandato o calcolato
2. Il datasheet del tuo driver single-ended dovrebbe includere un valore di tempo di salita rispetto alla capacità di carico del ricevitore
3. Basandoti sulla capacità di carico del ricevitore nel tuo progetto, determina se la velocità di transizione sarà troppo rapida per garantire bassi livelli di rumore
4. Se la velocità di transizione è troppo rapida, sei oltre la lunghezza critica, o avresti ancora un eccesso di overshoot a bassa capacità di carico, aggiungi una piccola resistenza in serie.

Questi punti sono importanti poiché alcuni processori diventano più avanzati con fattori di forma più piccoli. Questi dispositivi mostreranno una tendenza continua verso capacità di carico inferiori, risultando in velocità di transizione più rapide su bus semplici come SPI.

Trovare un Compromesso

Il punto della discussione sopra è: ci sarà sempre un po' di oscillazione sul fronte di salita di un segnale, e l'overshoot può essere maggiore quando la velocità di transizione è più rapida. Questo può essere rallentato con una terminazione in serie posizionata manualmente, ma probabilmente non totalmente eliminato usando solo una resistenza in serie. Invece, preferiamo un condensatore di bypass come primo passo per ridurre le risposte transitorie, poi potremmo usare una resistenza in serie, ma solo se il bus non ha una specifica di impedenza.

Determinare il giusto compromesso tra smorzamento e adattamento dell'impedenza richiede davvero di considerare il margine di rumore al ricevitore. Se il ricevitore ha un ampio margine di rumore, allora molto probabilmente puoi progettare rispetto all'impedenza caratteristica senza preoccuparti del sovratensione; non indurrà commutazioni involontarie o entrerà nella regione indefinita per la tua famiglia logica. Se il margine di rumore è stretto, allora potresti dover permettere una leggera non corrispondenza e riduzione del trasferimento di potenza dalla sorgente e usare una resistenza più grande, che porterà la risposta più vicino allo smorzamento critico. Anche se ciò riduce l'ampiezza dell'oscillazione transitoria, aumenta anche il tempo di salita in qualche modo, il che potrebbe violare il tempo di preparazione e mantenimento del ricevitore.

A causa del problema menzionato in precedenza, dove l'impedenza di uscita di un driver può essere diversa negli stati ON e OFF, potresti essere in grado di smorzare criticamente un bordo dell'impulso, mentre l'altro bordo mostra un po' di risonanza durante la commutazione. Se il carico è un ricevitore ad alta-Z che non richiede terminazione, allora puoi anche avere una riflessione che produce una risposta a gradini su uno o entrambi i bordi dell'impulso.

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