Metody terminacji w PCB o wysokiej prędkości i wysokiej częstotliwości

Temat zakończenia nieuchronnie pojawi się podczas pracy z szybkimi systemami cyfrowymi. Większość systemów cyfrowych posiada co najmniej jeden znormalizowany interfejs wysokiej prędkości, lub możliwe szybkie GPIO, które produkują sygnały o szybkim narastaniu. Zaawansowane systemy będą miały wiele znormalizowanych interfejsów, do których również stosuje się zakończenie, zazwyczaj na krzemowym chipie. Jeśli stwierdzisz, że faktycznie potrzebujesz zakończenia, jakiej metody należy użyć?

Okazuje się, że stosowanie dyskretnych terminatorów nie jest bardzo powszechne w większości systemów cyfrowych, ponieważ tak wiele komponentów implementuje znormalizowane magistrale do komunikacji cyfrowej. Ale jeśli masz do czynienia z zaawansowanymi komponentami, które mają szybkie wejścia/wyjścia, wtedy możesz potrzebować ręcznie zastosować zakończenie za pomocą dyskretnych komponentów. Innym przypadkiem, kiedy pojawia się to zagadnienie, jest specjalistyczna logika, jaką czasami używa się w niektórych procesorach i FPGA. W końcu jest jeszcze kwestia zakończenia RF, które bardzo różni się od zakończenia w systemach cyfrowych.

Kiedy i jak stosować zakończenie

Jak wspomniano powyżej, istnieje wąski zakres przypadków, kiedy zakończenie za pomocą dyskretnych komponentów musi być ręcznie stosowane.

• Twój interfejs nie posiada specyfikacji impedancji
• Twoje karty danych wskazują, że wymagane jest ręczne zakończenie
• Specyfikacja twojego interfejsu wymaga określonego zakończenia (np. DDR, zakończenie Boba Smitha w Ethernet)

Dopasowanie impedancji w RF i cyfrowym różni się nieco. Ogólnie cel jest ten sam: sygnał wysyłany do linii transmisyjnej powinien doświadczać minimalnych strat podczas propagacji i być rejestrowany na odpowiednim poziomie napięcia/mocy przez komponent odbierający. Poniższa tabela porównuje metody zakończenia stosowane w cyfrowych i RF:

Następnym punktem do zrozumienia jest odpowiedni dobór metody zakończenia dla konkretnego systemu. Poniższe sekcje zawierają krótkie przeglądy i linki do zasobów na temat różnych typów zakończeń, które mogą być używane w połączeniach jednostronnych, różnicowych i RF.

Zakończenie szeregowe

Ta metoda zakończenia polega na umieszczeniu rezystora szeregowego bezpośrednio przy wyjściowym pinie sterownika. Technicznie, linie transmisyjne są systemami liniowymi i rezystor szeregowy mógłby być umieszczony w dowolnym miejscu wzdłuż połączenia. Jednakże, preferowane jest umieszczenie rezystora szeregowego bezpośrednio przy wyjściu sterownika, ponieważ zapewnia to najdokładniejsze skalowanie sygnału wyjściowego i poprawne tłumienie odbić.

• Obliczanie wartości rezystora zakończenia szeregowego
• Tłumienie i transfer odbić z rezystorem zakończenia szeregowego

Wartości rezystorów szeregowych potrzebne do zakończenia mogą być trudne do określenia, ponieważ wymagane dane nie zawsze są obecne w karcie katalogowej. Zamiast tego, muszą być określone na podstawie znanego dobrego modelu IBIS dla pinu sterującego, lub muszą być określone poprzez pomiar. Dlatego czasami bardziej pożądane jest użycie zakończenia równoległego.

Zakończenie równoległe

Terminacja równoległa jest stosowana w celu tłumienia odbić od odbiornika, jednocześnie zapewniając, że pełne napięcie skali jest odbierane przez wejściowy pin obciążenia. Dlatego musi być umieszczona bezpośrednio przy wejściowym pinie na komponencie obciążenia, a wartość rezystora jest ustawiana równa impedancji linii transmisyjnej.

• Przebieg i wyjaśnienie terminacji równoległej
• Terminator równoległy w rozgałęzionych liniach

W niektórych szczególnych przypadkach terminacja równoległa i szeregowa mogą być stosowane razem na tym samym połączeniu, ale nie jest to powszechne. Częściej znajduje to zastosowanie w specjalistycznej logice, gdzie poziom sygnału wyjściowego może potrzebować być celowo przesunięty do niższego napięcia, ale niekoniecznie z idealnie dopasowanym rezystorem szeregowym. Innym przypadkiem jest próba tłumienia odbić od ziemi przez umieszczenie rezystora szeregowego do tłumienia, ale odbicia od obciążenia są nadal tłumione za pomocą terminacji równoległej.

Terminacja Thevenina, Pull-Up i AC

Terminacja Thevenina, terminacja Pull-Up i terminacja AC to wszystkie typy terminacji równoległych stosowane przy wejściowym pinie odbierającego komponentu. Zasadniczo wykonują tę samą funkcję co prosta terminacja równoległa z rezystorem, ale z pewnymi dodatkowymi konsekwencjami.

• Thevenin - dostosowuje poziom napięcia i pobiera moc z alternatywnego źródła napięcia
• Pull-up - zmusza sygnał do przełączania się wokół pewnego końcowego poziomu napięcia; może być używany do inwersji logiki
• Terminacja AC - ogranicza pasmo kanału do niższych częstotliwości i pełni funkcję filtrującą

Wśród tych trzech typów terminacji, Thevenin i pull-up są używane częściej. Bardziej prawdopodobne jest, że zobaczysz je zaimplementowane na krzemowym die niż z dyskretnymi komponentami. Jeśli używane są z dyskretnymi, prawdopodobnie jest to specjalny przypadek logiki. Wszystkie trzy terminacje można znaleźć w interfejsach różnicowych jako część podzielonej terminacji.

Terminacja RF

Użycie terminacji RF zasadniczo polega na umieszczeniu filtrów na wyjściu sterownika lub na wejściu odbiornika/obciążenia tak, aby impedancja wyjściowa z źródła osiągnęła docelową impedancję. Obwody dopasowania impedancji RF powinny idealnie mieć zerową rezystancję, co oznacza, że powinny używać tylko komponentów reaktywnych. Powodem jest to, że wolelibyśmy nie tracić żadnej mocy, gdy sygnał wchodzi w interakcję z siecią dopasowania impedancji.

Rezystory są szerokopasmowymi komponentami terminującymi, dlatego chcemy używać ich z szerokopasmowymi sygnałami, takimi jak sygnały cyfrowe. Sieci dopasowania impedancji reaktywnej produkują dopasowanie impedancji tylko w pewnym paśmie:

• Obwody zakończeniowe z elementami reaktywnymi tworzą pasma o wysokiej lub niskiej jakości
• Wiele elementów reaktywnych można połączyć w stopnie, aby uzyskać filtry wyższego rzędu
• Niektóre obwody będą miały fale w swoim paśmie przepustowym, co zależy od topologii sieci zakończeniowej

Inną metodą, która nie wymaga użycia elementów dyskretnych, jest stosowanie odcinków linii transmisyjnych. Te sekcje stosuje się tylko do dopasowania impedancji w bardzo wąskich pasmach o wysokiej jakości i najlepiej używać ich z sygnałami harmonijnymi. Aby zrozumieć, dlaczego te kwestie są ważne, przeczytaj poniższe linki.

• Projektowanie transformatora ćwierćfalowego dla obciążeń rzeczywistych i reaktywnych
• Simulacja parametrów S sieci dopasowującej impedancję
• Jak zaprojektować stożkowe zwężenie ścieżki RF do dopasowania impedancji

Powyżej kilku GHz, zakończenie za pomocą elementów dyskretnych nie będzie działać zgodnie z założeniami z powodu obecności elementów pasożytniczych. Dlatego komponenty pracujące na wielu GHz często umieszczają elementy dopasowujące impedancję bezpośrednio na krzemowym die, tak aby wyjściowe piny były bezpośrednio dopasowane do 50 omów. Do kilku GHz, umiejscowienie i wartości używane w elementach dyskretnych muszą być symulowane i mierzone.

Bez względu na to, jakiego rodzaju dopasowanie impedancji lub metodę zakończenia potrzebujesz zaprojektować, możesz tworzyć obwody i projektować PCB z najlepszymi na rynku funkcjami projektowania elektroniki w Altium Designer^®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym interdyscyplinarnym środowisku, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365^™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

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