Tłumienie i transfer odbicia z rezystorem terminującym szeregowym

Dopasowanie impedancji śladu, źródła i obciążenia jest ważne w płytach zawierających linie transmisyjne. Aby osiągnąć te warunki, można zauważyć, że niektóre projekty używają rezystora szeregowego na jednostronnych liniach transmisyjnych. Powodem tego jest czasami spowolnienie sygnału, a czasami ustawienie impedancji wyjściowej sterownika, w zależności od tego, kogo zapytasz.

Jak zaskakujące by to nie było, umiejscowienie rezystorów szeregowych do zakończenia jest czasami źle rozumiane. Niektóre z pojawiających się pytań to:

• Kiedy musisz ręcznie umieścić rezystory szeregowe?
• Kiedy możesz polegać na po prostu zaprojektowaniu linii transmisyjnej do docelowej impedancji?
• Co robisz na krótkich w porównaniu do długich linii transmisyjnych?
• Jak pojemność obciążenia i odbicie od ziemi wpływają na integralność sygnału z rezystorem szeregowym?
• Czy istnieje różnica między liniami jednostronnymi a różnicowymi?
• Co należy zrobić, jeśli standard sygnalizacji nie ma wymagań dotyczących impedancji (np. SPI lub I2C)

W tym artykule przyjrzę się niektórym z powyższych pytań z perspektywy szybkich GPIO i szeregowych magistrali. Często patrzymy na standard jak SPI, i łatwo jest założyć, że terminacja nie jest potrzebna, ponieważ nie określono wymagań dotyczących impedancji, a magistrala będzie działać wolno. To nie jest prawda we wszystkich przypadkach, a umieszczenie dowolnego rezystora terminującego wpłynie na czas narastania wstrzykiwanego sygnału, impedancję wejściową ścieżki oraz redukcję przeregulowania na linii.

Dwie funkcje rezystora terminującego szeregowo na liniach jednokierunkowych

Typowe powody stosowania terminacji szeregowej są następujące:

• Magistrala nie ma określonej impedancji
• Impedancja wyjściowa i poziom sygnału są dostosowywane do wartości docelowej dla specjalistycznej logiki
• Sterownik typu push-pull przełącza się bardzo szybko (może to być nawet kilka ns)
• Czas narastania sygnału widzianego przez odbiornik zależy od pojemności obciążenia
• Impedancja wyjściowa sterownika jest zwykle niska
• Na linii występuje dzwonienie

Ostatni punkt może być spowodowany przez dwa czynniki: odbicie na długiej linii transmisyjnej lub wzbudzenie odpowiedzi przejściowej na krótkiej linii. Pierwszy przypadek jest związany z niedopasowaniem impedancji, podczas gdy drugi jest związany z tymi samymi czynnikami, które powodują odbicie masy.

Odbicie na długiej linii:Czasami stosuje się zakończenie szeregowe przy źródle, ponieważ impedancja wyjściowa sterownika jest zawsze mniejsza niż impedancja jednostronna linii transmisyjnej. W idealnym przypadku impedancja wyjściowa wynosi 0 omów, ale ogólnie będzie to mała wartość niezerowa. Najprostszym sposobem na określenie wartości rezystora zakończeniowego jest odjęcie impedancji wyjściowej od impedancji linii transmisyjnej:

Tłumienie na krótkiej linii rezonansowej: Rezystor szeregowy może być użyty do zwiększenia stałej tłumienia w równoważnym obwodzie linii transmisyjnej. Jeśli rezystor szeregowy przyjmie właściwą wartość, można skutecznie tłumić wszelkie przejściowe oscylacje, które mogą wystąpić na krótkiej linii:

Należy zauważyć, że Z(tłumienie) nie zawsze jest równe Z(TL). Oba przypadki opierają się na znajomości impedancji wyjściowej sterownika.

Na przykład, jeśli impedancja wyjściowa twojego sterownika waha się od 20 do 30 omów w stanach WŁ i WYŁ, odpowiednio, wówczas najlepszym rezystorem szeregowym do użycia jest 25 omów. Określi to impedancję od 45 do 55 omów przy źródle, co umieszcza cię dobrze w granicach +/- 10% zmiany celu impedancji ścieżki 50 omów, zakładając, że nie ma innych czynników powodujących zmiany impedancji wyjściowej. Dziękujemy Dr. Howardowi Johnsonowi za zwrócenie na to uwagi.

Rezystor szeregowy na krótkiej rezonansowej linii jednostronnej

W krótkiej jednokierunkowej linii transmisyjnej sygnał zazwyczaj wzrasta na całej długości linii transmisyjnej. Oznacza to, że pojemność obciążenia ładuje się, podczas gdy sygnał jest jeszcze wprowadzany do linii transmisyjnej. W takim przypadku powiedzielibyśmy, że linia transmisyjna jest poniżej swojej krytycznej długości. W tym przypadku pojemność obciążenia będzie miała tutaj dwa efekty:

1. Pojemność obciążenia przyczynia się do całkowitej pojemności widzianej przez sygnał
2. Jeśli w ścieżce sygnału występuje nadmierna indukcyjność, może dojść do silnego odbicia od ziemi

Jeśli chodzi o modelowanie odpowiedzi, można potraktować kanał jako skupiony obwód RLC, jak pokazano poniżej. Skupiony obwód RLC obejmuje całkowitą indukcyjność L1 + L2, gdy jest wyłączony, lub L3 + L2, gdy jest włączony; pojemność pochodzi od pojemności obciążenia i pojemności ścieżki. Zazwyczaj ignorujemy R1 podczas analizy, ponieważ oporność będzie bardzo niska (wartość mOhm) w stanie włączonym.

Jeśli przeanalizujesz równoważny model RLC, który definiuje linię transmisyjną z rezystorem zakończeniowym szeregowym, możesz szybko określić poziom tłumienia zapewniany przez obecność rezystora zakończeniowego szeregowego. Ponieważ jest to obwód RLC, może on wykazywać oscylację, która jest nakładana na poziom sygnału WŁĄCZONY lub WYŁĄCZONY. Ten przejściowy stan będzie widoczny jako wysokoczęstotliwościowe przeregulowanie na odbiorniku, więc pożądane byłoby tłumienie tego przeregulowania, jeśli to możliwe.

Gdy linia transmisyjna jest krytycznie tłumiona, oscylacja przejściowa zostanie całkowicie stłumiona, jednocześnie zachowując najszybszy czas narastania. Jak dodać tłumienie? Zrobisz to za pomocą rezystora szeregowego, a odpowiednio dobrany rezystor szeregowy doprowadzi Cię do krytycznego tłumienia. Jeśli obliczysz częstotliwość oscylacji przejściowej i tłumienie w tym modelu RLC, możesz określić wartość rezystora zakończeniowego szeregowego wymaganego do wytworzenia krytycznego tłumienia:

Czy faktycznie możliwe jest krytyczne tłumienie odpowiedzi? Odpowiedź brzmi "może"...

Można od razu zauważyć, że impedancja wyjściowa źródła i rezystor zakończeniowy szeregowy mogą być prawie podwójne w stosunku do równoważnej impedancji kanału, aby osiągnąć krytyczne tłumienie, szczególnie gdy impedancja źródła jest bardzo mała. Zauważ, że mamy następujące parametry, które dają nam całkowitą indukcyjność i impedancję:

• C(line) - Zazwyczaj 2 do 3 pF/cale
• C(load) - W zakresie od 1 do 10 pF (może być większe)
• L(line) - Zazwyczaj 5 do 10 nH/cale
• L(1) i L(3) - Rząd wielkości ~1 nH z powodu dowolnych via i ramki prowadzącej
• Z(source) - Może dojść do 20 omów dla typowej magistrali push-pull, która nie ma specyfikacji impedancji

Skoro te parametry dodają się zarówno w liczniku, jak i mianowniku, możemy zobaczyć, że musimy mieć rezystor szeregowy co najmniej równy impedancji charakterystycznej, aby osiągnąć tłumienie krytyczne. Oczywiście, biorąc pod uwagę stratę mocy na rezystorze szeregowym, możesz nie mieć wystarczająco dużo sygnału na odbiorniku, aby przełączyć stan logiki. Moim zdaniem, mniejsze rezystory (22 lub 33 omy) są lepsze i często widuję je na wielu projektach.

Przykład na Elektrycznie Krótkiej (1 cal) Linii

Spójrzmy na przykład:

1. Załóżmy, że w powyższym przykładzie, masa i zasilanie mają połączenia przez przelotki, gdzie L(przelotka) = 1 nH. Jeśli mamy linię o długości 1 cala z C(obciążenie) = 4 pF, L(linia) = 7,5 nH/cal, i C(linia) = 3 pF/cal. Całkowita wymagana rezystancja źródła, aby osiągnąć krytyczne tłumienie, wyniesie 70 omów.
2. Jeśli impedancja wyjściowa I/O wynosi 10 omów, wówczas rezystor szeregowy musiałby mieć 60 omów
3. Tłumiona częstotliwość rezonansowa wyniesie 646 MHz, co skutkuje niedotłumionym okresem oscylacji wynoszącym 1,55 ns.

Ponieważ docelowa impedancja charakterystyczna linii wynosi 50 omów, i widzisz rezonans na oscyloskopie, naturalnym może być założenie, że dzwonienie wynika z odbić i zastosowanie rezystora szeregowego o wartości 40 omów zakończy dzwonienie. W rzeczywistości, ponieważ dzwonienie jest faktycznie spowodowane wzbudzonym rezonansem w krótkiej linii, pełne tłumienie dzwonienia nie występuje, chyba że zastosujesz zbyt duży rezystor szeregowy.

Tłumienie i Dopasowanie Mają Kompromis

Powyższe ilustruje, że istnieje kompromis między tłumieniem a dopasowaniem impedancji: nie można krytycznie stłumić odpowiedzi i doskonale dopasować impedancji jednocześnie, nie tracąc przy tym pewnej mocy na rezystorze szeregowym. Jeśli dokładnie dopasujesz impedancję źródła do impedancji linii transmisyjnej, wtedy stworzysz dwa problemy:

• Wytwarzasz niedotłumioną oscylację, gdy sterownik przełącza.
• Tracisz część mocy na rezystorze szeregowym i możesz nie zarejestrować poprawnego napięcia na obciążeniu, chyba że obciążenie ma wysoką impedancję, jak określono przez jego pojemność obciążenia.

Dlatego zamiast tego wybieramy kondensator omijający jako rozwiązanie tego problemu. Wynikowy model wyglądałby jak poniżej, gdzie kondensator omijający jest efektywnie włączony szeregowo, aby kompensować przejściową oscylację i odbicia od ziemi.

Czy kondensatory omijające eliminują potrzebę rezystora szeregowego? Ponownie, na to pytanie odpowiedź brzmi "może". Argumentowałbym, że powinieneś przejść przez następujący proces:

1. Zastosuj zalecany lub obliczony kondensator obejściowy jako pierwszy
2. Karta katalogowa twojego pojedynczego sterownika powinna zawierać wartość czasu narastania w stosunku do pojemności obciążenia odbiornika
3. Na podstawie pojemności obciążeniaodbiorcy w twojej konstrukcji, określ, czy szybkość narastania krawędzi będzie zbyt szybka, aby zapewnić niski poziom szumów
4. Jeśli szybkość narastania jest zbyt szybka, jesteś dłuższy niż krytyczna długość, lub nadal miałbyś nadmierne przekroczenie przy niskiej pojemności obciążenia, dodaj mały rezystor szeregowy.

Te punkty są ważne, ponieważ niektóre procesory stają się bardziej zaawansowane z mniejszym rozmiarem. Te urządzenia będą wykazywać ciągły trend w kierunku niższych pojemności obciążenia, co skutkuje szybszymi szybkościami narastania na prostych magistralach, takich jak SPI.

Znalezienie kompromisu

Punkt wynikający z powyższej dyskusji jest taki: zawsze będzie trochę oscylacji na rosnącej krawędzi sygnału, a przekroczenie może być większe, gdy szybkość narastania jest szybsza. Można to spowolnić ręcznie umieszczonym rezystorem końcowym, ale prawdopodobnie nie da się tego całkowicie wyeliminować, używając tylko rezystora szeregowego. Zamiast tego, preferujemy zastosowanie kondensatora obejściowego jako pierwszego kroku do redukcji odpowiedzi przejściowych, a następnie możemy użyć rezystora szeregowego, ale tylko jeśli magistrala nie ma specyfikacji impedancji.

Określenie właściwego kompromisu między tłumieniem a dopasowaniem impedancji naprawdę wymaga rozważenia marginesu szumów na odbiorniku. Jeśli odbiornik ma duży margines szumów, to najprawdopodobniej możesz zaprojektować układ zgodnie z charakterystyczną impedancją, nie martwiąc się o przeregulowanie; nie spowodujesz niezamierzonego przełączania ani nie wejdziesz w niezdefiniowaną strefę dla twojej rodziny logiki. Jeśli margines szumów jest wąski, wtedy możesz potrzebować pozwolić na lekkie niedopasowanie i redukcję transferu mocy ze źródła oraz użyć większego rezystora, co przybliży odpowiedź do krytycznego tłumienia. Chociaż redukuje to amplitudę oscylacji przejściowych, to również nieco zwiększa czas narastania, co może naruszyć czas ustawienia i utrzymania odbiornika.

Z powodu wcześniej wspomnianego problemu, gdzie impedancja wyjściowa sterownika może być różna w stanach WŁ i WYŁ, możesz być w stanie skrytycznie stłumić jedną krawędź impulsu, podczas gdy druga krawędź wykazuje pewne dzwonienie podczas przełączania. Jeśli obciążenie to odbiornik wysokiej impedancji, który nie wymaga zakończenia, wtedy możesz nawet mieć odbicie, które produkuje odpowiedź w postaci schodków na jednej lub obu krawędziach impulsu.

Zawsze testuj linie transmisyjne w swoim prototypie pod kątem integralności sygnału

Z różnymi dostępnymi opcjami zakończenia w różnych aplikacjach, pomocne jest użycie pakietu projektowego PCB, który integruje narzędzia do układania i symulacji na jednej platformie. Dzięki Altium Designer, będziesz miał pełną kontrolę nad swoim projektem, a Twoje narzędzia symulacyjne będą pobierały dane bezpośrednio z układu. To pomoże Ci określić właściwą wartość rezystora zakończeniowego szeregowego lub jakiekolwiek inne komponenty potrzebne do sieci zakończeniowej. Kiedy skończysz projekt i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Przedstawiliśmy tylko namiastkę możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.