Comprensione delle Riflessioni del Segnale per il Design ad Alta Velocità

Introduzione

Le riflessioni del segnale e l'ingegneria relativa all'adattamento dell'impedenza sono uno dei temi fondamentali legati alla progettazione di sistemi digitali ad alta velocità. Nel caso di un sistema digitale con un alto tasso di bit, in cui le informazioni sullo stato dei bit "0" e "1" vengono inviate sotto forma di segnale a onda quadra, si presume che il tempo di salita (o discesa) dei bordi crescenti e decrescenti sia trascurabile rispetto alla frequenza del segnale binario. In pratica, un segnale digitale non sale e non scende mai infinitamente veloce. Il tempo di salita (e discesa) è determinato dai parametri del percorso del segnale che include i parametri del trasmettitore, del ricevitore e le caratteristiche fisiche della linea di trasmissione.

Nel caso di sistemi ad alta velocità, il tempo di salita e discesa può essere breve come 1ns o meno. La frequenza del segnale binario nei sistemi digitali può raggiungere diversi GHz e per mantenere una forma relativamente rettangolare, i bordi crescenti e decrescenti dovrebbero essere una frazione della durata del bit.

La velocità di propagazione dell'onda elettromagnetica (propagazione di tensione e corrente nella linea di trasmissione) dipende da diversi fattori, inclusi il tipo di linea di trasmissione e il tipo di substrato. Ad esempio: per substrati FR4 e linee di trasmissione microstrip, la velocità di propagazione è di circa 160Mm/s (megametri al secondo) o 525Mft/s (mega piedi al secondo). Se il tempo di salita (o discesa) del fronte è ad es. 200ps, allora il fronte di salita (o discesa) percorrerà lungo la linea di trasmissione 32mm o 1,25 pollici durante il tempo di salita o discesa.

La conservazione della forma del segnale dipende dal fatto che la linea di trasmissione lungo il PCB, su una lunghezza paragonabile alla distanza percorsa dal fronte di salita (o discesa), mantenga la continuità dell'impedenza e un'adeguata terminazione sul lato del ricevitore. Nel caso di collegamenti molto brevi o di tempi di salita (discesa) lenti del segnale digitale, i fenomeni di riflessione, come descritto qui, potrebbero non essere osservabili e potrebbero essere trascurati. Come regola generale, si può assumere che se la distanza percorsa dal fronte del segnale (ovvero il prodotto del tempo di propagazione e della velocità di propagazione) è più del 10% della lunghezza di trasmissione, si dovrebbe prestare attenzione a corrispondere adeguatamente gli output, gli input e la linea di trasmissione - questa procedura è chiamata abbinamento dell'impedenza e include la progettazione delle tracce sul PCB così come le reti di abbinamento, composte da resistori.

Abbinamento dell'impedenza e abbinamento resistivo

La relazione che determina la condizione di adattamento dell'impedenza è ben nota. Se l'impedenza in uscita del TX è il coniugato complesso dell'impedenza del ricevitore e il percorso che collega il trasmettitore e il ricevitore ha la resistenza uguale alla parte reale del trasmettitore e del ricevitore, allora il percorso del segnale è adattato. Nei casi pratici dei sistemi digitali, l'adattamento non viene eseguito implementando una rete di adattamento dell'impedenza coniugata complessa per il percorso del trasmettitore o del ricevitore (ciò richiederebbe l'aggiunta di induttori e condensatori alle linee del segnale per annullare qualsiasi componente di impedenza immaginaria. Inoltre, questo tipo di adattamento è di solito a banda stretta quindi non ha applicazioni pratiche nei sistemi digitali).

Una pratica comune è adattare solo la parte resistiva dei circuiti integrati di trasmissione e ricezione e rendere l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione puramente resistiva. In questo caso, sono necessari solo resistori per fornire l'adattamento richiesto, ad esempio un resistore in serie all'uscita del driver è una delle possibili soluzioni per adattare il trasmettitore alla linea di trasmissione. Al ricevitore può essere utilizzato un resistore parallelo a terra (o per una coppia differenziale - un resistore tra le tracce che formano la coppia differenziale). Alcuni esempi relativi alle topologie di terminazione del ricevitore sono mostrati nella figura 1 tratta dallo strumento di Signal Integrity disponibile in Altium Designer.

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Figura 1: Topologie di terminazione disponibili nello strumento di integrità del segnale di Altium Designer

Esempi di riflessioni del segnale nel sistema digitale

Questo capitolo discute esempi di abbinamento dei segnali con forme d'onda di riflessione che saranno basate sul sistema da 50Ω - sistema comune per i progetti di frequenza radio, tuttavia le relazioni presentate in questa sezione si applicano anche ai sistemi digitali che utilizzano altri profili di impedenza così come per i segnali trasmessi tramite coppie differenziali - comuni per i sistemi digitali ad alta velocità, ad es. USB3.0 o PCIe. Le considerazioni presentate omettono l'influenza della parte immaginaria dell'impedenza del trasmettitore, ricevitore. La linea di trasmissione è progettata mediante un profilo di impedenza (impostato a 50Ω) definito in Altium Designer. In questo caso, la condizione di abbinamento assume la forma definita dall'equazione 1 in cui ogni resistenza ha un valore di 50Ω.

A scopo di simulazione è stato utilizzato il modello IBIS del chip LMK00334RTVR. I resistori utilizzati per i componenti di abbinamento per questo chip sono abbastanza vicini a 50Ω - è stato dimostrato che il sistema è ben abbinato mediante simulazione quando sono stati utilizzati resistori da 50Ω. Notare che il LMK00334RTVR può richiedere valori diversi per terminare ingressi e uscite.

Ro=Ri=Rt=50Ω (eq. 1)

Dove:Ro - resistenza in uscita del trasmettitore,

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• Ri - resistenza in ingresso del ricevitore,
• Rt - impedenza caratteristica della linea di trasmissione.

Caso di sistema adattato, eccitazione a impulso singolo

Nel caso di un progetto di adattamento corretto, le resistenze nella rete di adattamento sono definite da un'equazione 1. Il diagramma di tale sistema è mostrato nella figura 2 e i risultati della simulazione sono presentati nella figura 3. Non c'è riflessione del segnale nel sistema lungo la linea di trasmissione. Il segnale viene inviato dal pin U29 di U1, viaggia attraverso il resistore di adattamento in serie (R5) ed è completamente assorbito dal resistore di carico (R4) all'altro capo della linea. L'energia totale è stata assorbita da R4 e quindi non si è verificata alcuna riflessione - è visibile solo l'impulso sorgente.

Figura 2: Schema del circuito utilizzato per la simulazione

Figura 3: Simulazione di un impulso singolo in un circuito completamente adattato

Riflessioni nel sistema per un'eccitazione a impulso singolo. Caso di riflessione in fase

Se le resistenze date dall'equazione 1 non sono le stesse, si verificano riflessioni nel sistema. Un esempio di riflessione del segnale è presentato in figura 4, dove la resistenza di shunt del ricevitore è stata aumentata da 50Ω a 10kΩ (vedi figura 2, resistore R4) e la resistenza del trasmettitore (R5) è stata ridotta a 1Ω. In questo caso, l'impulso inviato dal trasmettitore non è stato assorbito da R4 sul lato del ricevitore. Il segnale è stato riflesso e ritornato all'ingresso del trasmettitore dopo circa 1,6ns. Conoscendo il tempo di propagazione e la velocità, si può calcolare la distanza dal trasmettitore del segnale fino al punto in cui si è verificato lo sbilanciamento dell'impedenza, tenendo presente che l'impulso percorre questa distanza due volte. Altium Designer fornisce il valore del tempo di propagazione per una data rete - vedi figura 5. Il tempo di propagazione per questa particolare rete è stato calcolato da Altium Designer ed è pari a 807ps. Per un viaggio di andata e ritorno questo è approssimativamente 1,6ns.

Figura 4: Caso di riflessione di un singolo impulso

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Figura 5: Ritardo di propagazione della linea di trasmissione, calcolato da Altium Designer

Riflessioni nel sistema per un'excitazione di un singolo impulso. Caso di riflessione fuori fase

In questo caso, i resistori della rete di adattamento sono stati impostati come segue: Ro=R5=50Ω. Inoltre, Ri=R4 è stato impostato a 100mΩ (può essere considerato come un cortocircuito rispetto a 50Ω). Se la linea di trasmissione all'altro capo è terminata con una resistenza inferiore alla resistenza della sorgente e della linea di trasmissione, allora il segnale viene riflesso di 180 gradi fuori fase. Questa riflessione risulta in una tensione negativa nella linea di trasmissione - vedi figura 6. Questa tensione negativa può portare alla conduzione dei diodi di protezione dei pin del circuito integrato o addirittura danneggiare il chip.

Figura 6: Riflessioni negative e positive nella linea di trasmissione

Riflessioni causate da un profilo di impedenza non uniforme della linea di trasmissione, eccitazione a impulso singolo

In questo caso, il trasmettitore e il ricevitore sono abbinati (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), mentre la linea di trasmissione è progettata per avere un'impedenza caratteristica non uniforme lungo la sua lunghezza - vedi figura 7. Ciò comporta riflessioni causate dall'impedenza non uniforme lungo la linea. Il risultato della simulazione per questo caso, effettuato con lo strumento SI di Altium Designer, è mostrato nella figura 8. In questo caso, si verifica una serie di riflessioni del segnale lungo la linea. Ciò dimostra che l'impedenza del percorso di trasmissione dovrebbe essere progettata per essere uniforme lungo la sua lunghezza. Tale progettazione migliora l'integrità del segnale del sistema.

Il cambiamento indesiderato dell'impedenza caratteristica lungo la linea di trasmissione può avere origini diverse, ad esempio: può essere correlato a un cambiamento della sua larghezza (come mostrato nella figura 7). Inoltre, altri fattori giocano un ruolo significativo nella creazione di un'impedenza non uniforme, ad es. la perdita del piano di riferimento, un insieme di vie lungo la linea, campi di rame situati vicino alla linea di trasmissione e altro ancora.

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Figura 7: Impedenza non uniforme lungo la linea di trasmissione

Figura 8: Effetti della linea di trasmissione non uniforme

Riflessioni nella linea di trasmissione non abbinata con eccitazione a onda quadra

La figura 9 presenta il caso di disallineamento del segnale tra ricevitore, trasmettitore e linea di trasmissione (inclusa la sua discontinuità). In questo caso, il trasmettitore alimenta la linea con un segnale a onda quadra di 1GHz per imitare la comunicazione digitale nel sistema. Questo segnale diventa completamente distorto da una serie di riflessioni in un sistema così disallineato. La tensione della linea di trasmissione oscilla intorno a 1,5V, superando anche lo stato iniziale (1,85V) di quasi 400mV. In questo caso, la comunicazione nel sistema sarà interrotta. Ci sono anche componenti ad alta frequenza nella linea che superano 1GHz che possono essere una fonte di interferenza e problemi con l'EMI. Il trasmettitore eccita costantemente la linea, fornendo energia per mantenere l'onda stazionaria nella linea di trasmissione, distorcendo completamente il segnale originale.

Figura 9: Sistema non allineato con eccitazione continua nella linea di trasmissione

Conclusioni

Le riflessioni del segnale sono il risultato di un disallineamento dell'impedenza nella catena del segnale, che include il trasmettitore, il ricevitore e le resistenze o impedenze della linea di trasmissione. Le riflessioni sono anche correlate alla progettazione errata della linea di trasmissione utilizzata per segnali digitali (ad alta velocità) o analogici, come l'onda portante di un sistema radio. L'occorrenza di riflessioni deteriora l'integrità dei segnali e può portare ad un aumento del tasso di errore nel sistema così come ad emissioni elettromagnetiche aumentate.

I risultati delle simulazioni presentati nell'articolo sono stati ottenuti utilizzando lo strumento di Integrità del Segnale di Altium Designer. Altium Designer supporta i progettisti di sistemi ad alta velocità nell'implementazione dello schema corretto e del design del PCB, fornendo strumenti per simulare circuiti ad alta frequenza e fenomeni, come le riflessioni del segnale discusse nell'articolo.