Jak wykonać: Dopasowanie impedancji i kończenie obciążeń pojemnościowych

Dla tych z Was, którzy śledzą kanały Altium na Youtube, wiadomo, że integralność sygnału to gorący temat, który generuje wiele pytań. Ostatnio otrzymałem interesujące pytanie od jednego z widzów, dotyczące kończenia obciążeń pojemnościowych:

Widzę, że jest wiele świetnych filmów na temat dopasowania impedancji i projektowania szerokości ścieżek, aby dopasować je do impedancji dowolnego przychodzącego kabla, ale co z dopasowaniem obciążeń pojemnościowych?

Obecna generacja tranzystorów MOSFET i GaN HEMT jest zdolna do przełączania poniżej 100 ns w tym momencie, więc czuję, że dopasowanie do bramki urządzenia mocy stanie się znacznie większym problemem w przyszłości...

Jak wyjaśnię poniżej, pomysł czysto pojemnościowego obciążenia jest pewnego rodzaju błędem. Tak, kondensatory istnieją, ale wszystkie kondensatory są nieidealne, i to odchylenie od teoretycznej pojemności decyduje o tym, jak dopasować impedancję obciążenia, które wykazuje zachowanie pojemnościowe. Spójrzmy na ten ważny aspekt projektowania połączeń i zobaczmy, co naprawdę oznacza zakończenie obciążenia pojemnościowego.

Co to jest obciążenie pojemnościowe?

Bardzo prosto rzecz ujmując, czysto pojemnościowe obciążenia nie istnieją. Nawet banki kondensatorów nie są w rzeczywistości „pojemnościowymi” obciążeniami, przynajmniej z perspektywy mocy biernej. W elektronice, a konkretnie na PCB, obciążenie, które wydaje się być pojemnościowe, będzie takie tylko w pewnym zakresie częstotliwości, a pojemność może nie wynikać z celowo umieszczonych kondensatorów.

Zamiast tego, w elektronice, kiedy mówimy, że obciążenie jest pojemnościowe, najprawdopodobniej odnosimy się do impedancji komponentu, lub konkretnie jego impedancji wejściowej. Impedancja wejściowa o charakterze pojemnościowym generalnie maleje wraz ze wzrostem częstotliwości i powoduje, że prąd wyprzedza napięcie w fazie. Niektóre przykłady to:

• Obwody RC lub niektóre obwody RLC
• Wejścia/wyjścia na układach scalonych
• Terminal bramki na tranzystorach MOSFET
• Stub-y na liniach transmisyjnych, w zależności od ich długości i zakończenia
• Sieci dopasowania impedancji

Innymi słowy, element jest przybliżany jako kondensator, nawet jeśli nie działa dokładnie w taki sposób. Mając to na uwadze, przeanalizujmy dwa główne przypadki, gdzie rozważana jest impedancja pojemnościowa i zakończenie: wąskopasmowe sygnały analogowe i szerokopasmowe sygnały cyfrowe.

Sygnały analogowe

Jeśli pracujesz tylko na określonej częstotliwości lub w bardzo wąskim zakresie częstotliwości, wtedy chcesz użyć standardowego obwodu filtru LC. Konkretnie, grupa dwóch kondensatorów lub filtr L będzie zazwyczaj używana do określenia kluczowego aspektu: rzeczywista część impedancji obciążenia musi być większa od zera. Odzwierciedla to fakt, że dla rzeczywistego obciążenia, nie będzie ono czysto pojemnościowe.

Aby w pełni dopasować impedancję całego połączenia, powinieneś użyć następującego procesu:

1. Określ wymagany obwód filtru LC, aby ustawić równoważną impedancję (obciążenie + filtr) na docelową impedancję. Można to łatwo zrobić za pomocą transformacji szeregowej/równoległej i rozwiązując wartości L i C.
2. Oblicz impedancję wejściową dla twojej konkretnej linii transmisyjnej, jak widziana na końcu wejściowym, używając standardowego wzoru.
3. Ustaw impedancję źródła tak, aby pasowała do impedancji wejściowej obliczonej w kroku 2.

Różne impedancje używane dla obciążenia pojemnościowego są pokazane poniżej. Zazwyczaj sieć dopasowująca będzie siecią L-match lub parą kondensatorów/cewek w układzie pi wraz z obciążeniem. Projektant może wybrać funkcjonalność wysokoprzepustową lub niskoprzepustową w sieci dopasowującej i zastosować analizę obwodów, aby uzyskać Zeq.

Krok 1 jest podstawowy w analizie obwodów, więc nie będę tutaj przedstawiać całego wyjaśnienia, prawdopodobnie omówię to w innym artykule. Świetny samouczek można znaleźć pod tym linkiem (zaczynając od strony 3). W kroku 2, docelowa (równoważna) impedancja, którą obliczyłeś w kroku 1, staje się obciążeniem używanym w obliczeniu impedancji wejściowej w kroku 2. Wreszcie, w kroku 3, możesz potrzebować zastosować dodatkową sieć dopasowującą, aby dopasować impedancję źródła do impedancji wejściowej (linii + filtr).

Dopasowanie do impedancji wejściowej linii transmisyjnej

Wspomniałem powyżej, że źródło może wymagać dopasowania do wejścia. Mam na myśli, że jeśli linia jest nieco dłuższa niż limit dla elektrycznie krótkiej linii i występuje pewne pozostałe niedopasowanie, impedancja wejściowa (linii + filtr) może znacznie różnić się od charakterystycznej impedancji linii transmisyjnej. Dlatego musisz ustawić impedancję wyjściową źródła tak, aby dopasować ją do impedancji wejściowej linii na wymaganej częstotliwości. Robi się to za pomocą kolejnej sieci dopasowującej (patrz poniżej). Może to być tak proste jak rezystor szeregowy, chociaż w obwodach reaktywnych z linią transmisyjną czasami ma sens również użycie obwodu LC do dopasowania impedancji na wymaganej częstotliwości.

Możesz myśleć: dlaczego mogę używać tylko cewek i kondensatorów do dopasowania do dowolnego obciążenia pojemnościowego, jeśli potrzebuję mieć rzeczywistą impedancję obciążenia? Prawda jest taka, że impedancja obciążenia będzie miała bardzo małą część rzeczywistą. Nawet dla drukowanych komponentów lub dowolnych impedancji, obwód obciążenia zawsze będzie miał gdzieś w obwodzie pewną pasożytniczą rezystancję. Pojawi się ona na wyprowadzeniach komponentów, ścieżkach PCB i każdej innej strukturze w układzie PCB użytej do wykonania połączenia.

Krótkie Linie

Jeśli linia transmisyjna jest krótka, wtedy wszystko jest znacznie prostsze. W takim przypadku nie potrzebujesz sieci dopasowującej wejście pokazanej powyżej. Przy krótkiej linii, impedancja źródła Zs widzi tylko obciążenie, więc możesz użyć impedancji źródła jako celu impedancyjnego projektując blok obwodu dopasowującego wyjście. W obwodach RF to nie jest typowa sytuacja, ponieważ następuje propagacja do innego bloku obwodu (kabel, nadajnik itp.), więc należy wziąć pod uwagę pewne odchylenie impedancji wejściowej.

Obwody Logiki Wysokiej Prędkości

Nie zawsze poruszamy ten temat, dyskutując o obwodach logiki wysokiej prędkości, ale wejścia do obwodów logiki CMOS mają pewną pojemność, która jest określona przez wymiary tranzystora i opakowania odbiornika. Wszystkie obwody logiki oparte na tranzystorach są pojemnościowe, tak jak ścieżki, które są używane do kierowania sygnału do wejść. Ścieżka i opakowanie razem mają pewną pojemność pasożytniczą, która musi być naładowana, aby propagujący sygnał mógł być interpretowany jako pożądany stan logiczny.

Różnica między linią transmisyjną a obciążeniem pojemnościowym polega na tym, że linia transmisyjna jest naprawdę skupionym obwodem LC (naprawdę obwodem RLC) z złożoną stałą dielektryczną. Dlatego jej impedancja jest przybliżenie rzeczywista. Jednakże, pojemność obciążenia tworzy rzeczywiste efekty; typowe wartości pojemności obciążenia mogą wahać się od 1 pF do 100 pF dla nowoczesnych komponentów cyfrowych, w zależności od opakowania i węzła technologicznego. Pojemność obciążenia jest równoległa do wysokoimpedancyjnego obwodu logicznego (rzędu 1 MOhm), więc razem działają jak obwód RC, gdy tylko otrzymają nadchodzącą falę. Dlatego martwimy się tylko o stosowanie zakończenia, jakby wszystko było zrobione z rezystorów; obchodzi nas tylko częstotliwości do granic, gdzie przejmuje pojemność obciążenia.

Oczywiście, jest to "obciążenie pojemnościowe". W obwodach cyfrowych uznajemy, że pojemność obciążenia jest czynnikiem ograniczającym pasmo; staje się ważna tylko, gdy wejdziemy w wysokie częstotliwości GHz, co oznacza, że obchodzi nas tylko, gdy zakres częstotliwości odcięcia dla tej impedancji wejściowej pokrywa się z znaczną częścią pasma sygnału cyfrowego. Nie jest praktyczne stosowanie szerokopasmowego zakończenia w tych obwodach, aby w pełni stłumić odbicia. Zawsze będzie występować pewne odbicie, gdy podróżujący sygnał dotrze do obciążenia.

Dlatego przemysł skupił się na takich kwestiach jak wyrównywanie oraz schematy sygnalizacji wielopoziomowej, aby odzyskać sygnały i zwiększyć szybkość transmisji danych przy danej szybkości narastania. W każdym przypadku element kończący może być obecny na die komponentu, chyba że używana jest specjalistyczna logika. Przykład z równoległym zakończeniem pokazano poniżej.

Alternatywą tutaj jest użycie zakończenia RC na odbiorniku, ale jest to mniej powszechne i wymagałoby zewnętrznej pary komponentów. Idea tutaj polega na spowolnieniu czasu narastania, który zwykle byłby ograniczony przez konstrukcję urządzenia na die (zazwyczaj wejście o wysokiej impedancji). Zakończenie RC generalnie nie jest preferowane do tego celu, ponieważ lepiej jest spowolnić sygnał na sterowniku niż na odbiorniku. Jednak w niektórych przypadkach możesz nie mieć wyboru, na przykład gdy sterownik nie znajduje się na twojej płytce PCB i masz tylko opcję umieszczenia zakończenia RC na odbiorniku.

Podsumowując: w przypadku cyfrowych układów scalonych nie musimy się koniecznie martwić o zakończenie pojemnościowe, ponieważ staramy się dopasować impedancję na najszerszym możliwym paśmie, a nie tylko na jednej konkretnej częstotliwości. To kładzie większość nacisku na fizyczne projektowanie kanału, aby zapewnić minimalne straty zwrotne na krótkich kanałach i minimalne straty wstawienia na długich kanałach. Gdybyśmy dbali tylko o dopasowanie przy jednej konkretnej częstotliwości, moglibyśmy stracić większość mocy sygnału, a on mógłby zostać całkowicie utracony.

Podsumowanie

Aby podsumować, oto kilka ważnych wniosków:

• Nie istnieje czysto pojemnościowe obciążenie. Nawet kondensatory przestają zachowywać się jak idealne kondensatory przy wystarczająco wysokiej częstotliwości. Rzeczywiste obciążenia mogą zachowywać się przybliżenie pojemnościowo.
• Analogowe sygnały mogą być dopasowane impedancyjnie do obciążenia pojemnościowego za pomocą standardowego obwodu filtrującego LC.
• W układach cyfrowych nie możemy naprawdę zakończyć pojemności obciążenia ze względu na szerokopasmowy charakter sygnałów cyfrowych.

Po ustaleniu wymagań dotyczących konwersji trybu pary różnicowej, możesz utworzyć geometrię i zasady trasowania pary różnicowej, korzystając z najlepszych w branży funkcji układania PCB w Altium Designer®. Zintegrowany Layer Stack Manager zawiera ultra-dokładny solver pola do obliczeń impedancji w standardowych geometriach, a wyniki możesz natychmiast zastosować jako regułę projektową w narzędziach do trasowania. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.