Come la Capacità di Carico su una Linea di Trasmissione Influenza i Tuoi Segnali

Se hai mai letto di linee di trasmissione e datasheet di circuiti integrati, esiste questa quantità apparentemente misteriosa chiamata capacità di carico. Questo valore dipende dalla geometria del conduttore del componente connesso alla linea di trasmissione, nonché dal materiale del substrato e dalla distanza dal piano di riferimento sul die del circuito integrato. Quando lavori con linee di trasmissione, la capacità di carico di un componente ha effetti importanti sul comportamento del segnale visto dal ricevitore, ed è importante capire come puoi influenzare la capacità di carico nel tuo PCB.

Quando devi analizzare il comportamento del segnale su una linea di trasmissione per un dato componente di carico, la capacità di carico influenzerà i parametri S e la funzione di trasferimento della linea di trasmissione, quindi deve essere inclusa nell'analisi dei segnali ad alta velocità/ad alta frequenza. Inoltre, l'impedenza di ingresso reale al carico è determinata dalla capacità di carico a frequenze sufficientemente alte. Ecco come puoi comprendere meglio la tua capacità di carico e determinare come influisce sui segnali in una linea di trasmissione sul tuo PCB.

Cos'è la capacità di carico?

La capacità di carico su un circuito integrato è un elemento parassita tra il conduttore di ingresso e il piano di riferimento più vicino. In altre parole, il pad di ingresso connesso al componente e alla linea di trasmissione vedranno una capacità di derivazione verso il comune piano di massa (supponendo che la linea di trasmissione e l'IC condividano lo stesso piano di massa).

Questo accade perché il pad connesso alla linea di trasmissione viene portato a una certa tensione man mano che il segnale raggiunge il ricevitore, ma è separato dal piano di massa dal substrato del PCB e dal die del circuito integrato. Nota che l'induttanza del pin-package è stata omessa per il momento, poiché si troverebbe come elemento in serie tra la linea di trasmissione e il pad. La capacità parassita tra il pad/piano di massa in parallelo con il conduttore/piano di massa del die dà la capacità di carico totale. Questo è mostrato nel diagramma del circuito qui sotto:

Nel caso sopra di un canale differenziale, la terminazione applicata è mostrata come una semplice resistenza parallela per semplificare l'immagine dei segnali differenziali. Tuttavia, i circuiti di terminazione reali applicati per un ricevitore differenziale possono essere più complessi, come ho discusso in questo articolo, e sono progettati per preservare uno spostamento mentre si adattano alle singole linee di trasmissione nel canale, piuttosto che adattarsi all'impedenza differenziale.

Terminazione

Nell'esempio sopra, la soluzione naturale per affrontare l'intrinseca disadattamento di impedenza è applicare una terminazione. Considera la terminazione di derivazione all'impedenza caratteristica (integrata nell'IC o applicata con una resistenza esterna). A basse frequenze, l'impedenza di carico appare come l'impedenza terminata. Tuttavia, a frequenze elevate, l'impedenza di carico appare interamente dovuta alla capacità di carico. La lezione qui è: puoi solo adattare l'impedenza su una larghezza di banda limitata a causa della capacità di carico.

Capacità all'estremità di sorgente

Una domanda naturale potrebbe essere, cosa succede alla capacità sul lato sorgente della linea di trasmissione? Infatti, c'è una certa capacità di sorgente che determina l'impedenza di uscita del driver a causa della presenza di un pad. Questo viene normalmente ignorato durante la modellazione perché il segnale che proviene dal sistema (driver + linea di trasmissione) viene misurato solo al di fuori del driver. Pertanto, fondamentalmente non ci preoccupiamo di come il segnale sia arrivato lì, ma solo di misurare cosa sia. Dobbiamo solo preoccuparci dell'impedenza di ingresso del sistema (linea di trasmissione + carico).

Funzione di trasferimento con impedenza di carico

Qualsiasi segnale lanciato nella linea di trasmissione sarà influenzato dalla capacità di carico. Questo viene quindi quantificato con una funzione di trasferimento. Intuitivamente, se guardi il diagramma sopra, la capacità agisce come un elemento di derivazione verso terra per i componenti ad alta frequenza del segnale. Pertanto, una linea di trasmissione connessa a un IC reale agisce come un filtro passa-basso, anche prima che il segnale raggiunga il carico!

L'intuizione è utile, ma come possiamo quantificare questo? Fortunatamente, puoi esaminare la risposta in frequenza della linea di trasmissione con una funzione di trasferimento. Questo ti mostra, sia nel dominio di Laplace che nel dominio della frequenza, come l'impedenza di carico e l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione influenzano un segnale nel dominio della frequenza. Puoi poi tornare al dominio del tempo con una trasformata di Fourier per confrontare il segnale iniziale lanciato e il segnale ricevuto al carico.

Per fare ciò, è decisamente più facile utilizzare i parametri ABCD per una linea di trasmissione. Questi sono correlati ai parametri S (perdita di inserzione e perdita di ritorno) per una linea a singola estremità. La matrice ABCD per una linea a singola estremità è definita in termini di impedenza caratteristica della linea e ha un significato simile ai parametri S:

Ora inserisci questi valori nella seguente formula generale per la funzione di trasferimento per una rete a due porte con impedenza di sorgente e carico definite (nota che l'impedenza di carico è mostrata sopra):

Se supponiamo che la sorgente sia adattata alla linea di trasmissione, abbiamo la seguente funzione di trasferimento per la linea di trasmissione. L'ho scritta nel dominio di Laplace per il momento:

Nota che una equazione molto simile è presentata nella letteratura sul design di circuiti integrati per una linea elettricamente lunga (cioè, più lunga della lunghezza critica). Questa equazione ti dice esattamente come il segnale venga influenzato dall'impedenza della linea di trasmissione e dalla capacità di carico. Nota che, in generale, le quantità in questa equazione sono complesse (inclusa la costante di propagazione) e si applicano nel caso in cui la linea abbia un certo livello di perdita.

Per utilizzare questa equazione nell'analisi, è necessario includere tutti gli effetti possibili che possono creare distorsione e perdita nel sistema. Questi includono:

• Dispersione e perdite nel dielettrico
• Rugosità del rame
• Perdite da effetto pelle relative alla rugosità del rame

Leggi questo articolo per saperne di più su queste fonti di distorsione e perdita nelle tue linee di trasmissione e su come modellarle analiticamente.

Analizzare gli effetti della capacità di carico

Usare una funzione di trasferimento rende molto facile analizzare gli effetti della capacità di carico sulla linea di trasmissione e su eventuali segnali che si propagano. Questo è meglio riassunto in un grafico. Il grafico qui sotto mostra la magnitudine e la fase della funzione di trasferimento per una linea di trasmissione su FR4 (striplina da 10 cm, spessore piano-piano di 0,48 mm/larghezza di 0,198 mm, senza dispersione, Dk = 4,4, tangente di perdita = 0,02) con impedenza caratteristica di 50 Ohm con terminazione parallela. Il comportamento passa-basso fino a 1-10 GHz è chiaramente visibile nel grafico superiore.

Da questo grafico vediamo che, man mano che la capacità di carico diminuisce, il rolloff passa-basso non si verifica fino a frequenze più alte. Possiamo ottenere qualche GHz di margine in più semplicemente utilizzando un componente con una capacità di carico più piccola. C'è meno distorsione alle frequenze medie (sotto la prima inversione di fase) poiché la curva di fase è più piatta fino a ~10 GHz. Entrambi i grafici dovrebbero illustrare la difficoltà nell'adattamento dell'impedenza a frequenze elevate nella larghezza di banda del segnale. Qui, non abbiamo nemmeno incluso la rugosità del rame, gli effetti della trama della fibra o l'effetto pelle in questi calcoli.

Quando lavori su progetti ad alta velocità/alta frequenza, puoi controllare solo la capacità parassita di carico vista dalla linea di trasmissione dal lato del PCB. Il circuito integrato che scegli avrà una capacità di ingresso definita che non può essere cambiata. Tuttavia, ci sono 3 leve che puoi utilizzare per controllare la capacità di carico totale vista da una linea di trasmissione:

• Spessore del laminato del piano superficiale. Il contributo parassita del PCB alla capacità di carico è proporzionale allo spessore del piano, quindi utilizzare un laminato più sottile per il piano superficiale con un piano di terra adiacente aiuta a spingere il rolloff a frequenze leggermente più alte. 
• Costante dielettrica del laminato. Il contributo del PCB alla capacità totale di carico è proporzionale al valore di Dk del laminato, quindi utilizzare un laminato a basso Dk per il piano superficiale fornisce una capacità di carico totale inferiore. 
• Componenti. Un componente con dimensioni di terminale più piccole tenderà ad avere una capacità di carico più piccola. Tieni presente questo quando selezioni i componenti se devi mantenere l'integrità del segnale fino a frequenze molto alte (~10 GHz).

Linee di trasmissione corte? Usa un simulatore di circuiti

Quando la linea è elettricamente piccola, non è necessario adottare un approccio a onda viaggiante e possiamo semplicemente usare la teoria dei circuiti per descrivere una linea di trasmissione. Questo forma effettivamente una rete Pi disadattata, che mostra anche un comportamento passa-basso alle alte frequenze. La differenza qui è che possono verificarsi risonanze e transitori, proprio come accadrebbe in un circuito RLC standard. Per esaminare questo tipo di sistema, puoi utilizzare gli strumenti di simulazione dei circuiti nel software di progettazione degli schemi per comprendere il comportamento del segnale e progettare il comportamento del segnale in modo che sia criticamente smorzato.

Tempo di salita al carico per linee singole, non controllate per impedenza

Su un bus come SPI, o con un formato di segnalazione equivalente su GPIO con pilotaggio push-pull, il tempo di salita su un bus elettricamente corto dipenderà dalla capacità di carico. Ad esempio, se guardi i dati sul tempo di salita di un driver SPI, il tempo di salita dipenderà dalla capacità di carico. Questi dati potrebbero essere disponibili nelle schede tecniche del componente di pilotaggio, e la capacità di ingresso del pin dovrebbe essere disponibile per il componente di carico.

Un esempio di tabella dei dati per la segnalazione XTAL con il ADUC847 è mostrato qui sotto. La tabella dei dati specifica un tempo di salita tipico di 9 ns per una capacità di carico di 80 pF (segnalato nelle caselle rosse). Troverai esempi simili per i bus SPI/QSPI su altri componenti, come DSP ASIC, ADC, MCU e molti altri componenti digitali/misti.

Nel componente di esempio sopra, ci sono interfacce logiche che potrebbero essere utilizzate con una gamma di tempi di salita possibili del segnale digitale. In effetti, se guardi a pagina 91 della scheda tecnica dell'ADUC847, vedrai la seguente raccomandazione da parte del produttore:

Se l'utente prevede di connettere segnali logici veloci (tempo di salita/discesa < 5 ns) a uno degli ingressi digitali dell'ADuC845/ADuC847/ADuC848 aggiungi una resistenza in serie a ciascuna linea rilevante per mantenere i tempi di salita e discesa superiori a 5 ns ai pin di ingresso del dispositivo.

Nel caso non fossi sicuro, è importante rendersi conto che ti stanno specificamente dicendo una delle principali funzioni di una resistenza di terminazione in serie: rallentare la velocità di salita del segnale. Questo può essere utilizzato per controllare l'ammortamento su linee di trasmissione corte che presentano oscillazioni eccessive sotto-smorzate (a causa del rimbalzo di terra e della piccola capacità di carico), così come per adattare la terminazione.

• Scopri di più sull'uso delle resistenze in serie per l'ammortamento e l'adattamento di impedenza

Quale circuito utilizzare per la simulazione di un bus corto?

Per tenere conto in modo completo della capacità di carico in una simulazione con un buffer I/O, sono necessari alcuni ingredienti nel tuo circuito:

• Un semplice circuito buffer che include le parassiticità del FET
• Un valore di capacità di carico
• Un valore di capacità di bypass
• L'induttanza totale della linea
• La capacità della linea
• Valori di induttanza per qualsiasi via che collega le reti di alimentazione, terra e condensatore

Un esempio di circuito è mostrato qui sotto. Questo è il tipo di circuito che verrebbe utilizzato per simulare il rimbalzo di terra. È importante comprendere che la capacità di carico contribuirà alle caratteristiche del segnale misurate in questo esempio, e determinerà qualsiasi terminazione in serie che potrebbe essere necessario applicare su queste linee corte per adattare l'impedenza e smorzare simultaneamente il segnale.

L'esempio sopra sarebbe implementato nei tuoi schemi e eseguito con SPICE. Non è necessario utilizzare modelli SPICE complessi per il componente driver, è sufficiente avere modelli SPICE abbastanza precisi per i FET utilizzati nel circuito buffer. L'alternativa è specificare la famiglia logica utilizzata nel tuo componente in una simulazione 2D BEM/MoM. Un esempio può essere trovato altrove nel blog.

• Visualizza una simulazione della resistenza in serie per una linea di trasmissione singola

Ogni volta che devi modellare il comportamento di una linea di trasmissione in pre-layout o simulare il comportamento del segnale post-layout, puoi utilizzare l'intero set di strumenti CAD in Altium Designer®. Il risolutore EM integrato in Altium Designer e il simulatore di integrità del segnale ti permettono di esaminare come la capacità di carico delle famiglie logiche standard influenzi il comportamento del segnale su linee controllate per impedenza nel tuo PCB. Avrai un set completo di funzionalità di simulazione per la tua prossima scheda.

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