Obliczanie rezystora zakończeniowego szeregowego

W przypadku linii transmisyjnych niektóre rzeczy nigdy nie wydają się być proste. Określenie techniki zakończenia i wartości komponentów w sieci zakończeniowej nie powinno być trudnym zadaniem. Większość programów do projektowania PCB zmusza Cię do szukania kalkulatorów online, lub musisz przeprowadzić obliczenia ręcznie. Zamiast tego, Twój program do projektowania powinien ułatwić testowanie różnych wartości komponentów w Twojej sieci zakończeniowej.

Niektóre komponenty, ścieżki, pary różnicowe i połączenia przechodzące przez przelotki powinny być dopasowane impedancyjnie, aby zapobiec pojawianiu się efektów linii transmisyjnych w obwodach o wysokiej prędkości lub wysokiej częstotliwości. Chociaż można tolerować małe niedopasowania impedancji, niektóre sterowniki sygnałów będą miały impedancję, która nie odpowiada standardowej wartości 50 omów, zwykle używanej dla ścieżek sygnałowych. Należy zauważyć, że niektóre standardy routingu i architektury komputerowej (np. PCIe Gen 2 i Gen 3) również używają innej wartości dla impedancji par różnicowych.

Jeśli ustaliłeś, że Twoja ścieżka zacznie wykazywać efekty linii transmisyjnej. W tym artykule pokażę, jak używać narzędzi integralności sygnału w Altium Designer^® do określenia prawidłowej wartości dla rezystora szeregowego.

Jaką sieć zakończeniową powinienem użyć?

Istnieje kilka odpowiedzi na to pytanie, ponieważ istnieje kilka możliwych sieci lub terminatorów. Dla sygnałów cyfrowych preferujemy zakończenie rezystancyjne, ponieważ rezystory są komponentami szerokopasmowymi. Mogą być używane do zakończenia sterowników aż do bardzo wysokich pasm, gdy są umieszczone bezpośrednio na pinie sterownika w układzie scalonym. W przeciwieństwie, wyjście RF lub antena wolałyby sieć LC, ponieważ nie chcemy mieć rezystancyjnych strat mocy, a dokładne umieszczenie cewki i kondensatora (zarówno w szereg, jak i jako element równoległy) zależy od tego, jak potrzebujesz przesunąć impedancję, aby dopasować częstotliwość rezonansową.

Jeśli chodzi o zakończenie rezystancyjne, dwie powszechne metody, które są używane, to zakończenie szeregowe (umieszczone przy pinie sterownika) i zakończenie równoległe (umieszczone przy odbiorniku do GND). Istnieją dwie ważne rzeczy do zapamiętania o efektach zakończenia szeregowego:

Kilka powodów, dla których warto użyć rezystancji zakończenia szeregowego przy sterowniku, to:

1. Jeśli linia jest na tyle długa, że spodziewasz się odbić od nieobciążonego końca, potrzebny jest rezystor szeregowy między nieobciążonym sterownikiem a ścieżką, a impedancja sterownika sygnału jest mniejsza niż impedancja twojej ścieżki
2. Chcesz zwiększyć tłumienie widoczne na wyjściu, aby pomóc w tłumieniu odbić od masy,NEXT, SSN, lub oscylacji na bardzo krótkiej linii
3. Jeśli sygnał produkowany przez sterownik musi być spowolniony, co może być używane w szybkim interfejsie zaimplementowanym w FPGA lub gdy produkowane sygnały są sygnałami kontrolnymi, które nie dostarczają ciągłego strumienia danych

W punkcie #1, możesz umieścić rezystor szeregowy na wyjściu swojego sterownika, ale jest to bardzo niezwykłe, chyba że standardowa jednokierunkowa magistrala cyfrowa (tak jak SPI) jest prowadzona na bardzo długim dystansie i ma mały czas narastania. Punkt #1 może być również używany w przypadku, gdy używane są specjalistyczne komponenty RF, które nie mają wewnętrznego zakończenia. Punkt #2 jest bardziej powszechny, szczególnie gdy sygnał jest dostarczany przez nowoczesny procesor, jak MCU, FPGA, lub MPU.

Jeśli ustaliłeś, że potrzebujesz zakończenia szeregowego, na przykład na podstawie obliczenia krytycznej długości, opornik powinien być najmniejszym możliwym opakowaniem, które planujesz zamontować na płycie i najprościej jest umieścić go dokładnie przy wyjściowym pinie sterownika. Aby określić oporność szeregową, musisz albo znać już impedancję źródła, albo musisz mieć model symulacyjny dla bufora wyjściowego sterownika (takiego jak IBIS). Jeśli znasz impedancję wyjściową źródła, wtedy wymagana impedancja zakończenia szeregowego to:

Oto jak to zrobić w symulacji, jeśli znasz rodzinę logiki lub masz model IBIS dla wyjściowego pinu sterownika.

Określanie oporności zakończenia szeregowego

Wspólną metodą określania oporności zakończenia szeregowego z symulacji jest iteracja przez zakres wartości oporników szeregowych. Po uruchomieniu symulatora zobaczysz wykres, który pokazuje, jak każda wartość komponentu w sieci wpływa na Twój sygnał. Pozwala to wizualnie określić najlepsze wartości komponentów do użycia w Twojej sieci zakończenia.

• Dowiedz się więcej o tym, jak zakończenie szeregowe wpływa na poziomy napięcia

Proces poniżej dotyczy zarówno sygnałów różnicowych, jak i sygnałów jednoprzewodowych, które nie są częścią standaryzowanego interfejsu. Pamiętaj, że sygnał różnicowy można traktować jako dwa oddzielne sygnały jednoprzewodowe, każdy z określoną nieparzystą impedancją, więc metoda zastosowania rezystora szeregowego pokazana poniżej dotyczy ścieżki w parze różnicowej, tak długo jak uwzględnisz niewielkie odchylenie między impedancją nieparzystą a jednoprzewodową.

Ustawienia narzędzia do analizy integralności sygnału

Po tym, jak zachowasz swój schemat i zaprojektujesz swoją płytę, jesteś gotowy do określenia odpowiedniego rezystora zakończeniowego dla twoich ścieżek. Gdy twoja płyta będzie przygotowana, możesz uzyskać dostęp do narzędzia analizy integralności sygnału w Altium Designer z menu Narzędzia -> Integralność Sygnału…

Dostęp do narzędzia Integralności Sygnału w Altium Designer

Narzędzie Integralności Sygnału musi być skonfigurowane poprzez wybranie rodziny logicznej dla pinów na sterowniku i odbiorniku, lub przez dodanie modeli IBIS do komponentu. Możesz również zmodyfikować użyty bodziec sygnału w dialogu Integralności Sygnału.

Po otwarciu narzędzia do analizy integralności sygnału powinieneś zobaczyć okno dialogowe Integralności Sygnału pokazane na poniższym obrazie. Tutaj musisz wybrać, które sieci sygnałowe chcesz zbadać. Możesz dwukrotnie kliknąć sieci sygnałowe, które chcesz zbadać, a te zostaną dodane do tabeli po prawej stronie okna dialogowego.

Wybieranie sieci i sieci terminacyjnych dla symulacji integralności sygnału

Zobaczysz również listę sieci terminacyjnych. W poniższym przykładzie będziemy badać dwie ścieżki jednostronne (NC1 i NC2). Zauważ, że możesz zmienić liczbę przebiegów, jak również parametry w sieci terminacyjnej. Możesz również zbadać jedną z par różnicowych (np. NC3_P i NC3_N) korzystając z tych samych kroków, które są tutaj przedstawione.

Wyniki dla Ścieżek Jednostronnych

Przyjrzymy się sieci z rezystorem szeregowym, jak również sieci zakończeniowej "Równoległy rezystor i kondensator do GND". Zauważ, że możesz wybrać maksymalne i minimalne wartości dla twojego zakresu, jak również napięcie VCC.

Tutaj możesz zmodyfikować wartości rezystorów zakończeniowych w twojej sieci dopasowującej

Teraz, gdy ustawiłeś symulację, kliknij przycisk „Reflection Waveforms…” aby rozpocząć symulację. Altium Designer będzie iterować przez różne wartości rezystorów i generować serię wykresów. Wyniki dla sieci NC1 i NC2 są pokazane na poniższym rysunku.

Wyniki odbicia sygnału dla różnych sieci dopasowujących

Z powyższych wyników możemy zobaczyć, że rezystor dopasowujący w szeregu (dwa górne wykresy) oraz kombinacja rezystorów do VCC i do ziemi tak naprawdę nie są najlepszym wyborem dla tej płytki. Oba wyniki pomagają nieco zredukować dzwonienie, ale musimy również skompensować wolny czas narastania. Dlatego powinniśmy spróbować innej sieci i powtórzyć proces.

Tutaj możemy wrócić i wybrać sieć „Równoległy rezystor i kondensator do GND” i sprawdzić, jak ta sieć wpływa na sygnały w sieciach NC1 i NC2. Wyniki dla tej sieci są pokazane poniżej. Aby zobaczyć wartości dla każdego komponentu w sieci, wystarczy kliknąć na jedną z etykiet w legendzie po prawej stronie wykresu. Na tej płytce okazuje się, że optymalna sieć ścieżek używa rezystora 56,67 Ohma i kondensatora 83,33 pF (czerwony sygnał na dolnym wykresie).

Wyniki odbicia sygnału dla sieci rezystora/kondensatora

Proces dla pary różnicowej

Aby zbadać parę różnicową, możesz wrócić do okna dialogowego Integralności Sygnału i zbadać każdą ścieżkę w parze różnicowej. Jeśli weźmiemy pod uwagę pokazany powyżej wzór na terminację szeregową, musimy pamiętać, że impedancja różnicowa jest definiowana w terminach jej impedancji nieparzystej; to wartość używana dla terminacji rezystorem szeregowym. Ponieważ charakterystyczna impedancja ścieżki w parze różnicowej jest zawsze większa niż impedancja nieparzysta, możemy zapisać następującą relację:

Na podstawie tej odchyłki, wartość rezystora szeregowego wymagana dla ścieżki w parze różnicowej będzie nieco niższa niż wartość oporu szeregowego określona przez narzędzie do analizy integralności sygnału:

Idąc dalej z kontrolą impedancji trasowania

Bez wątpienia, najlepszym rozwiązaniem jest użycie trasowania z kontrolowaną impedancją, aby móc zapewnić, że Twoje ścieżki będą miały spójne wartości impedancji na całej płytce. Idealnie, pomoże to uniknąć potrzeby stosowania sieci zakończeniowej do każdej pojedynczej ścieżki na płytce, oszczędzając znaczną ilość czasu projektowego.

Określenie odpowiedniej sieci zakończeniowej do użycia na Twojej płytce PCB jest znacznie łatwiejsze, gdy pracujesz z pakietem projektowym PCB, który obejmuje narzędzia do projektowania i symulacji zasilania. Z Altium Designer będziesz miał pełną kontrolę nad układem warstw i projektem, a Twoje narzędzia symulacyjne będą pobierać dane bezpośrednio z Twojego układu. Te narzędzia są bezpośrednio dostosowalne do systemów sztywno-elastycznych i wielopłytowych.

Pobierz darmową wersję próbną Altium Designer, aby zobaczyć, jak potężne narzędzia do analizy integralności sygnału mogą Ci pomóc. Będziesz miał dostęp do najlepszych funkcji projektowych, których wymaga branża, w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.