Come Fare: Adattamento dell'Impedenza e Terminazione dei Carichi Capacitivi

Per coloro che seguono i canali Youtube di Altium, sapete che l'integrità del segnale è un argomento molto discusso e genera molte domande. Di recente, ho ricevuto una domanda interessante da un utente che chiedeva informazioni sulla terminazione di carichi capacitivi:

Vedo che ci sono molti video interessanti sull'adattamento dell'impedenza e sulla progettazione della larghezza delle tracce per adattarsi a qualsiasi impedenza del cavo in arrivo, ma che dire dell'adattamento dei carichi capacitivi?

I MOSFET di generazione attuale e i GaN HEMT sono in grado di commutare in meno di 100 ns a questo punto e quindi mi sembra che l'adattamento al gate di un dispositivo di potenza diventerà un problema molto più grande in futuro...

Come spiegherò di seguito, l'idea di un carico puramente capacitivo è in qualche modo un'illusione. Sì, i condensatori esistono, ma tutti i condensatori sono non ideali, ed è questa deviazione da una capacità teorica che determina come adattare l'impedenza di un carico che mostra un comportamento capacitivo. Diamo un'occhiata a questo importante aspetto della progettazione di interconnessione e vediamo cosa significa realmente terminare un carico capacitivo.

Che cos'è un Carico Capacitivo?

Molto semplicemente, i carichi puramente capacitivi non esistono. Anche i banchi di condensatori non sono veramente dei carichi "capacitivi", almeno da una prospettiva di potenza reattiva. Nell'elettronica, e specificamente nei PCB, un carico che sembra essere capacitivo lo sarà solo in un certo intervallo di frequenza, e la capacità potrebbe non derivare da condensatori intenzionalmente posizionati.

Invece, nell'elettronica, quando diciamo che un carico è capacitivo ci stiamo molto probabilmente riferendo all'impedenza di un componente, o specificamente alla sua impedenza di ingresso. Un'impedenza di ingresso capacitiva generalmente diminuisce con l'aumentare della frequenza e causa un anticipo di fase della corrente rispetto alla tensione. Alcuni esempi includono:

• Circuiti RC o alcuni circuiti RLC
• I/O su circuiti integrati
• Il terminale di gate sui MOSFET
• Stub sulle linee di trasmissione, a seconda della loro lunghezza e terminazione
• Reti di adattamento dell'impedenza

In altre parole, l'elemento è approssimato come un condensatore, anche se non agisce esattamente come tale. Con questo in mente, esploriamo due casi principali in cui l'impedenza capacitiva e la terminazione sono considerate: segnali analogici a banda stretta e segnali digitali a banda larga.

Segnali Analogici

Se stai lavorando solo a una frequenza specifica, o in un intervallo molto ristretto di frequenze, allora vorrai utilizzare un circuito di filtro LC standard. In particolare, un gruppo di due condensatori o un filtro L verranno normalmente utilizzati per determinare il seguente principio: la parte reale dell'impedenza del carico deve essere maggiore di zero. Questo riflette il fatto che, per un carico reale, non sarà puramente capacitivo.

Per adattare completamente l'impedenza di un intero collegamento intermedio, dovresti utilizzare il seguente processo:

1. Determinare il circuito di filtro LC necessario per impostare l'impedenza equivalente (carico + filtro) all'impedenza target. Questo si fa facilmente con una trasformazione serie/parallelo e risolvendo per i valori di L e C.
2. Calcolare l'impedenza in ingresso per la tua specifica linea di trasmissione come vista all'estremità di ingresso utilizzando la formula standard.
3. Impostare l'impedenza di sorgente per corrispondere all'impedenza in ingresso calcolata al Passo 2.

Le diverse impedenze utilizzate per un carico capacitivo sono mostrate di seguito. Tipicamente, la rete di adattamento sarà una rete L-match o una coppia di condensatori/induttori in un arrangiamento a pi greco con il carico. Il progettista può scegliere la funzionalità passa alto o passa basso nella rete di adattamento e applicare l'analisi dei circuiti per ottenere Zeq.

Il passo 1 è fondamentale nell'analisi dei circuiti quindi non mostrerò qui un'intera spiegazione, probabilmente tratterò questo in un altro articolo. Puoi trovare un ottimo tutorial a questo link (a partire dalla Pagina 3). Nel Passo 2, l'impedenza (equivalente) target che hai calcolato nel Passo 1 diventa il carico utilizzato nel calcolo dell'impedenza di ingresso nel Passo 2. Infine, nel Passo 3, potresti dover applicare una rete di adattamento aggiuntiva per abbinare l'impedenza della sorgente all'impedenza di ingresso (linea + filtro).

Adattamento all'Impedenza di Ingresso della Linea di Trasmissione

Ho menzionato in precedenza che la sorgente potrebbe dover essere adattata all'ingresso. Ciò che intendo è che, se la linea è leggermente più lunga del limite per una linea elettricamente corta e c'è una certa disadattanza residua, l'impedenza in ingresso (linea + filtro) potrebbe essere molto diversa dall'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Pertanto, è necessario impostare l'impedenza di uscita della sorgente per corrispondere all'impedenza di ingresso della linea alla frequenza richiesta. Ciò si realizza con un altro network di adattamento (vedi sotto). Questo potrebbe essere semplice come una resistenza in serie, sebbene nei circuiti reattivi con una linea di trasmissione talvolta abbia senso utilizzare anche un circuito LC per l'adattamento dell'impedenza alla frequenza richiesta.

Potresti pensare: perché posso utilizzare solo induttori e condensatori per adattarmi a un carico capacitivo arbitrario se ho bisogno di avere un'impedenza di carico reale? La verità è che l'impedenza di carico avrà una parte reale molto piccola. Anche per componenti stampati o impedenze arbitrarie, il circuito di carico avrà sempre una certa resistenza parassita da qualche parte nel circuito. Questa si manifesterà sui terminali dei componenti, sulle tracce del PCB e su qualsiasi altra struttura nel layout del PCB utilizzata per realizzare una connessione.

Linee Corte

Se la linea di trasmissione è breve, allora le cose sono molto più semplici. In questo caso, non è necessario il network di adattamento dell'ingresso mostrato sopra. Con una linea breve, l'impedenza di sorgente Zs vede solo il carico, quindi puoi usare l'impedenza di sorgente come tuo obiettivo di impedenza progettando il blocco del circuito di adattamento dell'uscita. Nei circuiti RF, questo non è ciò che si vede tipicamente, c'è la propagazione verso un altro blocco del circuito (cavo, trasmettitore, ecc.), quindi ci sarà una certa deviazione dell'impedenza di ingresso da considerare.

Circuiti Logici ad Alta Velocità

Non lo menzioniamo sempre quando discutiamo di circuiti logici ad alta velocità, ma gli ingressi ai circuiti logici CMOS hanno una certa capacità determinata dalle dimensioni del transistor e del packaging del ricevitore. Tutti i circuiti logici basati su transistor sono capacitivi, così come le tracce utilizzate per guidare il segnale agli ingressi. La traccia e il packaging insieme presentano una certa capacità parassita che deve essere caricata affinché il segnale in propagazione venga interpretato come lo stato logico desiderato.

La differenza tra una linea di trasmissione e un carico capacitivo è che una linea di trasmissione è in realtà un circuito LC aggregato (in realtà un circuito RLC) con una costante dielettrica complessa. Pertanto, la sua impedenza è approssimativamente reale. Tuttavia, la capacità di carico crea effetti reali; i valori tipici di capacità di carico possono variare da 1 pF a 100 pF per i componenti digitali moderni, a seconda del packaging e del nodo tecnologico. La capacità di carico è in parallelo con un circuito logico ad alta impedenza (dell'ordine di 1 MOhm), quindi insieme agiscono come un circuito RC una volta che ricevono l'onda in arrivo. Pertanto, ci preoccupiamo solo di applicare la terminazione come se tutto fosse fatto di resistori; ci interessa solo delle frequenze fino ai limiti dove prende il sopravvento la capacità di carico.

Chiaramente, questo è un carico "capacitivo". Nei circuiti digitali, riconosciamo che la capacità di carico è un fattore limitante la larghezza di banda; diventa importante solo quando si entra nelle alte frequenze GHz, il che significa che ci interessa solo quando l'intervallo di frequenza di roll-off per questa impedenza di ingresso si sovrappone con una frazione significativa della larghezza di banda del segnale digitale. Non è pratico applicare una terminazione a banda larga in questi circuiti per sopprimere completamente le riflessioni. Ci sarà sempre una certa riflessione che si verifica quando il segnale in viaggio raggiunge il carico.

Pertanto, l'industria si è concentrata su aspetti come l'equalizzazione e gli schemi di segnalazione multilivello per recuperare i segnali e aumentare i tassi di trasmissione dati per un dato tempo di salita. In ogni caso, l'elemento terminale può essere presente sul die del componente a meno che non venga utilizzata una logica specializzata. Di seguito è mostrato un esempio con terminazione parallela.

Un'alternativa qui è l'uso della terminazione RC al ricevitore, ma questa è meno comune e richiederebbe una coppia esterna di componenti. L'idea qui è rallentare il tempo di salita, che normalmente sarebbe limitato dalla costruzione del dispositivo sul die (normalmente un ingresso ad alta impedenza). La terminazione RC generalmente non è preferita per questo scopo poiché è meglio rallentare il segnale al driver piuttosto che al ricevitore. Tuttavia, in alcuni casi potresti non avere scelta, ad esempio quando il driver non si trova sul tuo PCB e hai solo l'opzione di posizionare una terminazione RC al ricevitore.

La conclusione è questa: per i circuiti integrati digitali, non ci preoccupiamo necessariamente della terminazione capacitiva perché stiamo cercando di abbinare l'impedenza sul più ampio spettro di banda possibile piuttosto che a una specifica frequenza. Questo pone la maggior parte dell'enfasi sulla progettazione fisica del canale per garantire che le perdite di ritorno siano minime sui canali corti e che le perdite di inserzione siano minime nei canali lunghi. Se ci preoccupassimo solo di abbinare a una specifica frequenza, potremmo perdere la maggior parte della potenza nel segnale e questo potrebbe essere completamente perso.

Sommario

Giusto per riassumere, ecco alcuni punti importanti:

• Non esiste un carico puramente capacitivo. Anche i condensatori smettono di comportarsi come condensatori ideali a frequenze abbastanza elevate. I carichi reali possono comportarsi approssimativamente come capacitivi.
• I segnali analogici possono essere abbinati in impedenza a un carico capacitivo con un circuito filtro LC standard.
• Nei circuiti digitali, non possiamo veramente terminare la capacità del carico a causa della natura a banda larga dei segnali digitali.

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