Czy można używać terminacji szeregowej i równoległej na tej samej sieci?

Szeregowe i równoległe zakończenia to najczęściej stosowane opcje rezystancyjnego zakończenia sygnałów cyfrowych. Wynika to z faktu, że rezystancja jest wielkością szerokopasmową i nie zaczyna być wpływana przez elementy pasożytnicze aż do zakresu GHz. W pasmie przepustowym kanału związanym z większością sygnałów cyfrowych, zdarzają się przypadki, gdy niezakończona linia faktycznie wymaga zakończenia, nawet jeśli interfejs nie określa impedancji.

Jako że obie opcje są wykonalne dla sygnałów cyfrowych, którą z nich należy użyć do zakończenia długiej linii transmisyjnej bez określonej impedancji? Czasami pojawia się przekonanie, że należy użyć obu, lub że obie mogą być użyte na każdej sieci. Są przypadki, gdy obie mogą być użyte jednocześnie, ale zazwyczaj wybiera się tylko jedną, ponieważ może to wyeliminować potrzebę stosowania drugiej.

W tym artykule przyjrzę się sygnalizacji związanej z zakończeniami szeregowymi i równoległymi, oraz specjalnemu przypadkowi, gdy możesz zobaczyć oba zakończenia.

Szeregowe i równoległe zakończenia poprzez funkcje przejścia

Poniższe wyjaśnienie nie będzie oparte na dynamice sygnału jako takiej. W tym celu można przeczytać ten dobry artykuł autorstwa Kella Knack, który pokazuje przykładowe przebiegi falowe. Zamiast tego, spojrzę z perspektywy funkcji przenoszenia, aby pokazać dokładnie, co dzieje się z poziomami napięcia w linii transmisyjnej. Ujawnia to również wpływ pasma przenoszenia na sygnały cyfrowe.

To, co pokażę poniżej na temat tych dwóch zakończeń i dlaczego często nie są one używane razem na tej samej sieci, opiera się na następujących założeniach:

• Interfejsy nie mają określonego celu impedancji, co oznacza, że impedancja ścieżki może być dowolna
• Impedancja sterownika jest generalnie niska, a impedancja obciążenia jest modelowana jako prosta pojemność obciążenia
• Impedancja wyjściowa sterownika jest znana lub może być określona, na przykład z pomiaru lub symulacji (IBIS)

Teraz przyjrzyjmy się każdemu z tych zakończeń szczegółowo.

Zakończenie szeregowe Funkcja Przenoszenia

Układ pokazany poniżej ilustruje formalizm używany do określenia funkcji przenoszenia linii transmisyjnej z parametrów ABCD. Zauważ, że moglibyśmy również użyć parametrów S, ale parametry ABCD są znacznie prostsze.

Funkcja przenoszenia to stosunek napięcia obciążenia do napięcia źródłowego. Wspaniałą rzeczą w podejściu z wykorzystaniem funkcji przenoszenia jest to, że napięcie obciążenia jest wyraźnie zdefiniowane w terminach impedancji źródła, jak pokazano powyżej. Teraz możemy podstawić nasze impedancje źródłowe oraz wszelkie rezystancje szeregowe.

Gdy rezystor szeregowy jest używany do idealnego zakończenia linii transmisyjnej, rezystor jest dobierany tak, aby R = ZS - Z0. Ten rezystor jest zwykle umieszczany przy pinie wyjściowym sterownika, i teraz mamy zależność, gdzie całkowita impedancja źródła to ZS = Z0, ponieważ jest to nowa całkowita impedancja wyjściowa. Korzystając z definicji parametrów ABCD dla linii transmisyjnej, mamy:

Tutaj mamy funkcję przenoszenia, która wygląda jak dzielnik napięcia z udziałem impedancji obciążenia i impedancji linii transmisyjnej. Napięcie na obciążeniu wynosi:

Jeśli weźmiemy impedancję obciążenia i uczynimy ją bardzo dużą, otrzymalibyśmy następującą wartość napięcia na obciążeniu:

Dotyczy to w obrębie szerokości pasma kanału, jak określono przez pojemność obciążenia. Jak sygnał z nadajnika zostaje zmieniony po oddziaływaniu z całkowitą impedancją źródła, która obejmuje rezystor szeregowy? Jeśli użyjesz definicji parametrów ABCD i obliczysz V1, otrzymasz następujące wyniki, jeśli ZS + R = Z0:

Teraz widzimy funkcję rezystora szeregowego: gdy dopasowanie jest idealne, impedancja źródła i impedancja ścieżki działają jak dzielnik napięcia. Jeśli impedancja źródła jest niższa lub wyższa niż impedancja ścieżki, zaobserwujemy przeregulowanie lub niedoregulowanie po odbiciu od obciążenia.

Jedynie przez odbicie od obciążenia poziom sygnału zmniejszony do połowy jest przywracany do pełnego poziomu. Dlatego zazwyczaj nie stosujemy również równoległego zakończenia na tej samej sieci, gdy napięcie odbiornika musi widzieć tę samą wartość co napięcie źródła. Teraz spójrzmy na równoległe zakończenie samo w sobie.

Równoległe Zakończenie

W przypadku równoległego zakończenia, cały punkt polega na tłumieniu odbicia od odbiornika, jak wspomniałem powyżej. W magistrali określonej impedancją, zakończenie jest zwykle umieszczane na krzemowym die. W bardziej ogólnym przypadku, takim jak z pewnymi sterownikami linii, impedancja nie jest określona i dlatego zakończenie może wymagać ręcznego zastosowania.

Terminacja równoległa bez terminacji rezystorem szeregowym działa w następujący sposób:

• Ponieważ nie ma rezystora szeregowego, funkcja dzielenia napięcia powoduje, że cały sygnał jest umieszczany na linii transmisyjnej (V1 = VS)
• Sygnał następnie propaguje do obciążenia i nie odbija się, więc jest całkowicie absorbowany przez rezystor równoległy

Jeśli założymy idealną impedancję źródła ZS = 0, funkcja przenoszenia dla terminacji równoległej daje następującą zależność dla napięć obciążenia i źródła:

Przy terminacji równoległej widzimy, że w liczniku występuje czynnik 2. Obwód terminacji tworzy rezystancję równolegle z pojemnością obciążenia, gdzie rezystancja to R = Z0. W granicach pasma częstotliwości kolanowej kanału, jak określono przez tę pojemność obciążenia, impedancja obciążenia jest bardzo bliska równoległej rezystancji. To znowu daje nam napięcie widoczne na obciążeniu, gdy R = Z0, a więc ZL = Z0:

Ponownie wracamy do pełnej siły sygnału, który wysłaliśmy do połączenia.

Jeśli impedancja źródła nie jest równa zero, wróć do definicji funkcji przenoszenia i wprowadź wartość dla swojej impedancji źródła. Można to uzyskać z pomiarów lub z symulacji.

Czy można używać zarówno zakończenia szeregowego, jak i równoległego?

Porównując ogólną formę funkcji przenoszenia rezystora zakończenia szeregowego, powinno być bardzo jasne, dlaczego nie umieszczamy celowo również rezystora równoległego, gdy już jest rezystor szeregowy. Jeśli idealnie dopasujesz rezystor szeregowy, a następnie dopasujesz również rezystor równoległy, to tylko połowa poziomu sygnału trafia na linię i jest absorbowana przez rezystor równoległy. Innymi słowy, napięcie widoczne na obciążeniu to:

Jeśli używasz komponentu z poziomem sygnału 3,3 V i odbiornik również wymaga poziomu sygnału 3,3 V, to możesz nie być w stanie używać jednocześnie zakończenia szeregowego i równoległego. Musiałbyś dokładnie przyjrzeć się progom logicznym w odbiorniku, aby upewnić się, że napięcie na obciążeniu nie jest zbyt niskie.

Przypadek graniczny występuje, gdy zamierzasz obniżyć napięcie źródłowe do niższego napięcia obciążenia. Na przykład, mając źródło 3,3 V i obciążenie wymagające amplitudy 1,8 V, poziom sygnału odbieranego przez obciążenie wynosiłby 1,65 V przy zastosowaniu zarówno zakończenia szeregowego, jak i równoległego. Może to być na dolnym końcu napięcia wymaganego do zarejestrowania stanu logicznego WYSOKIEGO w odbiorniku. Możemy znaleźć inne przykłady typowych poziomów logicznych, gdzie otrzymujemy ten sam wynik.

Zamiast próbować inżynierować obniżenie napięcia za pomocą rezystorów zakończeniowych, zwykle zmieniałbyś między dwoma różnymi poziomami sygnału za pomocą przesuwnika poziomów. Te komponenty są zaprojektowane do obsługi konkretnych interfejsów lub mogą być kompatybilne z różnymi możliwymi interfejsami. Te komponenty będą akceptować różne napięcia zasilania i będą tworzyć replikę sygnału wejściowego na wyjściu, ale o wyższym lub niższym napięciu. Przykład dla SN65DP159 od Texas Instruments jest pokazany poniżej.

Czy to wszystko dotyczy par różnicowych?

Odpowiedź brzmi "tak" z gwiazdką; jeśli używane są pary różnicowe, należy zastąpić charakterystyczną impedancję w powyższych funkcjach przenoszenia impedancją nieparzystego trybu i obliczyć różnicę w sygnałach przeciwnych biegunów po stronie odbiornika połączenia.

Większość interfejsów różnicowych ma określone wymagania dotyczące zakończenia i wymagania dotyczące impedancji śladu, które są już wdrożone na chipie po stronie nadawczej linii (przynajmniej minimalnie). Gdy wymagane jest sprzężenie stałoprądowe, to zakończenie na chipie po stronie nadawczej uniemożliwia użycie rezystora szeregowego. W innych przypadkach, gdy komponent odbiornika nie ma zakończenia na chipie, można użyć zakończenia równoległego, co nie jest powszechne. Użycie zakończenia (szeregowego, równoległego lub obu) nadal może być stosowane w specjalnych przypadkach, ale byłoby to określone w kartach katalogowych, ustalone przez testowanie lub już włączone na chipie.

Po znalezieniu funkcji przenoszenia linii transmisyjnej i przygotowaniu się do projektowania kanału, użyj narzędzi projektowych i układu w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym zaimplementować współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.