Jak pojemność obciążenia na linii transmisyjnej wpływa na Twoje sygnały

Jeśli kiedykolwiek czytałeś o liniach transmisyjnych i kartach katalogowych układów scalonych, napotkałeś na tajemniczą wielkość zwaną pojemnością obciążenia. Ta wartość zależy od geometrii wyprowadzenia komponentu podłączonego do linii transmisyjnej, jak również od materiału podłoża i odległości do płaszczyzny odniesienia na krzemowym die układu scalonego. Pracując z liniami transmisyjnymi, pojemność obciążenia komponentu ma kilka ważnych efektów na zachowanie sygnału obserwowane u odbiornika, i ważne jest, aby zrozumieć, jak możesz wpłynąć na pojemność obciążenia na swojej płytce PCB.

Gdy potrzebujesz analizować zachowanie sygnału na linii transmisyjnej dla danego komponentu obciążającego, pojemność obciążenia wpłynie na parametry S oraz funkcję przenoszenia linii transmisyjnej, więc musi być uwzględniona w analizie sygnałów wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości. Ponadto, rzeczywista impedancja wejściowa przy obciążeniu jest określana przez pojemność obciążenia przy wystarczająco wysokich częstotliwościach. Oto jak możesz lepiej zrozumieć swoją pojemność obciążenia i określić, jak wpływa ona na sygnały w linii transmisyjnej na twojej płytce PCB.

Co to jest Pojemność Obciążenia?

Pojemność obciążenia na układzie scalonym to element pasożytniczy pomiędzy wejściowym przewodem a najbliższą płaszczyzną odniesienia. Innymi słowy, wejściowa końcówka połączona z komponentem oraz linia transmisyjna będą widziały pojemność równoległą do wspólnej płaszczyzny odniesienia (zakładając, że linia transmisyjna i układ scalony dzielą tę samą płaszczyznę uziemienia).

To ma miejsce, ponieważ końcówka połączona z linią transmisyjną jest doprowadzana do pewnego napięcia, gdy sygnał dociera do odbiornika, ale jest oddzielona od płaszczyzny uziemienia przez podłoże PCB i krzem układu scalonego. Należy zauważyć, że indukcyjność opakowania wyprowadzeń została na chwilę pominięta, która znajdowałaby się jako element szeregowy pomiędzy linią transmisyjną a końcówką. Pasożytnicza pojemność pomiędzy końcówką/płaszczyzną uziemienia równolegle z przewodem/die płaszczyzną uziemienia daje całkowitą pojemność obciążenia. Jest to pokazane na poniższym schemacie obwodu:

W powyższym przypadku kanału różnicowego zastosowane zakończenie przedstawiono jako prosty rezystor równoległy, aby uprościć obraz dotyczący sygnałów różnicowych. Jednak rzeczywiste obwody zakończeń stosowane dla odbiornika różnicowego mogą być bardziej złożone, jak omówiłem w tym artykule, i mają na celu zachowanie przesunięcia przy dopasowaniu do poszczególnych linii transmisyjnych w kanale, a nie dopasowaniu do impedancji różnicowej.

Zakończenie

W powyższym przykładzie naturalnym rozwiązaniem problemu niezgodności impedancji jest zastosowanie zakończenia. Rozważ zakończenie równoległe przy charakterystycznej impedancji (zintegrowane w układzie scalonym lub zastosowane z zewnętrznym rezystorem). Przy niskich częstotliwościach impedancja obciążenia wydaje się być impedancją zakończenia. Jednak przy wysokich częstotliwościach impedancja obciążenia wydaje się być całkowicie spowodowana pojemnością obciążenia. Kluczowa informacja tutaj to: możesz dopasować impedancję tylko w ograniczonym paśmie częstotliwości z powodu pojemności obciążenia.

Pojemność na końcu źródła

Można by naturalnie zapytać, co z pojemnością po stronie źródła linii transmisyjnej? Rzeczywiście, istnieje pewna pojemność źródła, która określa impedancję wyjściową sterownika ze względu na obecność pada. Zazwyczaj jest to ignorowane podczas modelowania, ponieważ sygnał, który jest dostarczany z systemu (sterownik + linia transmisyjna), jest mierzony tylko na zewnątrz sterownika. Dlatego w zasadzie nie martwimy się o to, jak sygnał się tam znalazł, tylko o to, że możemy zmierzyć, jaki jest. Musimy martwić się tylko o impedancję wejściową systemu (linia transmisyjna + obciążenie).

Funkcja przenoszenia z impedancją obciążenia

Każdy sygnał wprowadzony do linii transmisyjnej będzie wpływany przez pojemność obciążenia. Jest to następnie kwantyfikowane za pomocą funkcji przenoszenia. Intuicyjnie, patrząc na powyższy schemat, pojemność działa jak element szeregowy do ziemi dla wysokich częstotliwości składowych sygnału. Dlatego linia transmisyjna podłączona do rzeczywistego układu scalonego działa jak filtr dolnoprzepustowy, nawet zanim sygnał dotrze do obciążenia!

Intuicja to coś miłego, ale jak możemy to zmierzyć? Na szczęście, możesz zbadać odpowiedź częstotliwościową linii transmisyjnej za pomocą funkcji przenoszenia. Pokazuje to, zarówno w dziedzinie Laplace'a, jak i dziedzinie częstotliwości, jak impedancja obciążenia i charakterystyczna impedancja linii transmisyjnej wpływają na sygnał w dziedzinie częstotliwości. Następnie możesz przekształcić z powrotem do dziedziny czasu za pomocą transformacji Fouriera, aby porównać sygnał początkowy i sygnał odbierany przy obciążeniu.

Aby to zrobić, zdecydowanie najłatwiej jest użyć parametrów ABCD dla linii transmisyjnej. Są one związane z parametrami S (strata wstawienia i strata zwrotna) dla linii jednostronnej. Macierz ABCD dla linii jednostronnej jest zdefiniowana w terminach charakterystycznej impedancji linii i ma podobne znaczenie jak parametry S:

Teraz wstaw te wartości do poniższego ogólnego wzoru na funkcję przenoszenia dla dwuportowej sieci z określoną impedancją źródła i obciążenia (zwróć uwagę, że impedancja obciążenia jest pokazana powyżej):

Jeśli założymy, że źródło jest dopasowane do linii transmisyjnej, mamy następującą funkcję przenoszenia dla linii transmisyjnej. Napisałem to na razie w dziedzinie Laplace'a:

Należy zauważyć, że bardzo podobne równanie jest przedstawione w literaturze dotyczącej projektowania układów scalonych dla linii elektrycznie długiej (tj. dłuższej niż krytyczna długość). Równanie to dokładnie informuje, jak sygnał jest wpływany przez impedancję linii transmisyjnej oraz pojemność obciążenia. Należy zauważyć, że ogólnie wielkości w tym równaniu są złożone (w tym stała propagacji) i mają zastosowanie w przypadku, gdy linia ma jakikolwiek poziom strat.

Aby użyć tego równania do analizy, musisz uwzględnić wszystkie możliwe efekty, które mogą tworzyć zniekształcenia i straty w systemie. Obejmują one:

• Dyspersję i straty w dielektryku
• Chropowatość miedzi
• Straty efektu naskórkowego w odniesieniu do chropowatości miedzi

Zobacz ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o tych źródłach zniekształceń i strat w twoich liniach transmisyjnych oraz jak modelować je analitycznie.

Analiza efektów pojemności obciążenia

Wykorzystanie funkcji przenoszenia znacznie ułatwia analizę wpływu pojemności obciążenia na linię transmisyjną i wszelkie propagujące się sygnały. Najlepiej podsumowuje to wykres. Poniższy wykres pokazuje wielkość i fazę funkcji przenoszenia dla linii transmisyjnej na FR4 (10 cm stripline, grubość między płaszczyznami 0,48 mm/szerokość 0,198 mm, bez dyspersji, Dk = 4.4, tangens kąta strat = 0.02) z charakterystyczną impedancją 50 omów z równoległym zakończeniem. Zachowanie dolnoprzepustowe do 1-10 GHz jest wyraźnie widoczne na górnym wykresie.

Z tego wykresu widzimy, że w miarę zmniejszania się pojemności obciążenia, spadek dolnoprzepustowy nie występuje aż do wyższych częstotliwości. Możemy uzyskać kilka dodatkowych GHz przestrzeni roboczej, po prostu używając komponentu o mniejszej pojemności obciążenia. Jest mniej zniekształceń na średnich częstotliwościach (poniżej pierwszej inwersji fazy), ponieważ krzywa fazy jest płaska aż do ~10 GHz. Oba wykresy powinny ilustrować trudności w dopasowaniu impedancji do wysokich częstotliwości w paśmie sygnału. Tutaj nawet nie uwzględniliśmy chropowatości miedzi, efektów splotu włókien ani efektu skóry w tych obliczeniach.

Pracując nad projektami wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości, kontrolować można jedynie pojemność pasożytniczą obciążenia widzianą na linii transmisyjnej od strony PCB. Wybrany układ scalony będzie miał zdefiniowaną pojemność wejściową, której nie można zmienić. Jednak istnieją 3 sposoby, aby kontrolować całkowitą pojemność obciążenia widzianą przez linię transmisyjną:

• Grubość laminatu warstwy powierzchniowej. Pasożytniczy wkład PCB do pojemności obciążenia jest proporcjonalny do grubości warstwy, więc użycie cieńszego laminatu dla warstwy powierzchniowej z sąsiadującą płaszczyzną masy pomaga przesunąć częstotliwość odcięcia na nieco wyższe wartości.
• Stała dielektryczna laminatu. Wkład PCB do całkowitej pojemności obciążenia jest proporcjonalny do wartości Dk laminatu, więc użycie laminatu o niskiej wartości Dk dla warstwy powierzchniowej zapewnia niższą całkowitą pojemność obciążenia.
• Elementy. Element z mniejszym rozmiarem wyprowadzeń będzie miał tendencję do posiadania mniejszej pojemności obciążenia. Miej to na uwadze przy wyborze elementów, jeśli potrzebujesz utrzymać integralność sygnału do bardzo wysokich częstotliwości (~dziesiątki GHz).

Krótkie linie transmisyjne? Użyj symulatora obwodów

Gdy linia jest elektrycznie mała, nie musimy stosować podejścia z falą bieżącą i możemy po prostu użyć teorii obwodów do opisania linii transmisyjnej. Efektywnie tworzy to niezgodną sieć Pi, która również wykazuje zachowanie dolnoprzepustowe przy wysokich częstotliwościach. Różnica polega na tym, że mogą wystąpić rezonanse i przekłócenia, tak jak widziałbyś to w standardowym obwodzie RLC. Aby zbadać ten typ systemu, możesz użyć narzędzi symulacji obwodów w swoim oprogramowaniu do projektowania schematów, aby zrozumieć zachowanie sygnału i zaprojektować zachowanie sygnału tak, aby było krytycznie tłumione.

Czas narastania na obciążeniu dla jednostronnych, niekontrolowanych impedancyjnie linii

Na magistrali takiej jak SPI, lub przy równoważnym formacie sygnalizacji przez GPIO z napędem typu push-pull, czas narastania na elektrycznie krótkiej magistrali będzie zależał od pojemności obciążenia. Na przykład, jeśli spojrzysz na dane dotyczące czasu narastania sterownika SPI, czas narastania będzie zależał od pojemności obciążenia. Te dane mogą być dostępne w kartach katalogowych komponentu napędzającego, a pojemność pinu wejściowego powinna być dostępna dla twojego komponentu obciążenia.

Przykładowa tabela danych dla sygnalizacji XTAL z ADUC847 jest pokazana poniżej. Tabela danych określa typowy czas narastania 9 ns dla pojemności obciążenia 80 pF (oznaczone w czerwonych ramkach). Podobne przykłady dla magistral SPI/QSPI znajdziesz w innych komponentach, takich jak DSP ASICs, ADCs, MCUs i wiele innych komponentów cyfrowych/mieszanych sygnałów.

W powyższym przykładzie komponentu, istnieją interfejsy logiczne, które mogą być używane z różnymi możliwymi czasami narastania sygnału cyfrowego. W rzeczywistości, jeśli spojrzysz na stronę 91 w karcie katalogowej ADUC847, zobaczysz następującą rekomendację od producenta:

Jeśli użytkownik planuje podłączyć szybkie sygnały logiczne (czas narastania/spadku dodaj rezystor szeregowy do każdej odpowiedniej linii, aby utrzymać czas narastania i spadku dłuższy niż 5 ns na pinach wejściowych urządzenia.

W przypadku, gdybyś nie był pewien, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że wyraźnie mówią Ci o jednej z głównych funkcji rezystora zakończeniowego szeregowego: spowalnianiu szybkości narastania sygnału. Może to być wykorzystane do kontrolowania tłumienia na krótkich liniach transmisyjnych, które mają nadmierne, niedotłumione oscylacje (spowodowane odbiciami od masy i małą pojemnością obciążenia), jak również do dopasowania zakończenia.

• Dowiedz się więcej o używaniu rezystorów szeregowych do tłumienia i dopasowania impedancji

Jaki obwód użyć do symulacji krótkiej magistrali?

Aby kompleksowo uwzględnić pojemność obciążenia w symulacji z buforem I/O, potrzebujesz kilku składników w swoim obwodzie:

• Prosty obwód buforowy, który zawiera pasożyty FET
• Wartość pojemności obciążenia
• Wartość kondensatora omijającego
• Całkowita indukcyjność linii
• Pojemność linii
• Wartości indukcyjności dla wszelkich przelotek łączących sieci zasilania, masy i kondensatora

Poniżej przedstawiono przykładowy obwód. Jest to typ obwodu, który byłby używany do symulacji odbicia od masy. Ważne jest, aby zrozumieć, że pojemność obciążenia będzie miała wpływ na charakterystyki sygnału mierzone w tym przykładzie i będzie decydować o ewentualnej potrzebie zastosowania szeregowej terminacji na tych krótkich liniach, aby dopasować impedancję i jednocześnie tłumić sygnał.

Powyższy przykład byłby implementowany w schematach i wykonywany za pomocą SPICE. Nie potrzebujesz skomplikowanych modeli SPICE dla swojego komponentu sterującego, wystarczą tylko w miarę dokładne modele SPICE dla FETów używanych w obwodzie buforowym. Alternatywą jest określenie rodziny logicznej używanej w komponencie w symulacji 2D BEM/MoM. Przykład można znaleźć gdzie indziej na blogu.

• Obejrzyj symulację rezystora szeregowego dla jednostronnej linii transmisyjnej

Kiedykolwiek potrzebujesz modelować zachowanie linii transmisyjnych w fazie przed układaniem lub symulować zachowanie sygnału po układaniu, możesz użyć kompletnego zestawu narzędzi CAD w Altium Designer®. Zintegrowany rozwiązywacz pola EM w Altium Designer oraz symulator integralności sygnału pozwalają zbadać, jak pojemność obciążenia standardowych rodzin logiki wpływa na zachowanie sygnału na liniach z kontrolowaną impedancją w twojej płytce PCB. Będziesz miał kompletny zestaw funkcji symulacji dla twojej następnej płytki.

Altium Designer na Altium 365® dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dotknęliśmy tylko powierzchni tego, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu dla bardziej szczegółowego opisu funkcji lub jednego z Webinarów na Żądanie.