Zrozumienie odbić sygnałów w projektowaniu wysokich prędkości

Wprowadzenie

Odbicia sygnałów i inżynieria związana z dopasowaniem impedancji to jedne z podstawowych tematów związanych z projektowaniem cyfrowych systemów wysokiej prędkości. W przypadku systemu cyfrowego o wysokiej szybkości transmisji bitów, w którym informacje o stanie bitów "0" i "1" są wysyłane w formie sygnału prostokątnego, zakłada się, że czas narastania (lub opadania) zboczy narastających i opadających jest znikomy w stosunku do częstotliwości sygnału binarnego. W praktyce sygnał cyfrowy nigdy nie narasta i nie opada nieskończenie szybko. Czas narastania (i opadania) jest określony przez parametry ścieżki sygnału, które obejmują parametry nadajnika, odbiornika oraz fizyczne charakterystyki linii transmisyjnej.

W przypadku systemów wysokiej prędkości czas narastania i opadania może być krótszy niż 1ns. Częstotliwość sygnału binarnego w systemach cyfrowych może osiągnąć kilka GHz i aby utrzymać względnie prostokątny kształt, zbocza narastające i opadające powinny stanowić ułamek czasu trwania bitu.

Prędkość propagacji fali elektromagnetycznej (propagacja napięcia i prądu w linii transmisyjnej) zależy od kilku czynników, w tym od typu linii transmisyjnej oraz rodzaju podłoża. Na przykład: dla podłoża FR4 i linii transmisyjnych typu mikropaskowego, prędkość propagacji wynosi około 160Mm/s (megametrów na sekundę) lub 525Mft/s (mega stóp na sekundę). Jeśli czas narastania (lub opadania) krawędzi wynosi np. 200ps, to narastająca (lub opadająca) krawędź będzie podróżować wzdłuż linii transmisyjnej na odległość 32mm lub 1,25cala podczas czasu narastania lub opadania.

Zachowanie kształtu sygnału zależy od tego, czy linia transmisyjna na PCB, na długości porównywalnej z odległością pokonywaną przez narastające (lub opadające) zbocze, utrzymuje ciągłość impedancji i właściwe zakończenie po stronie odbiornika. W przypadku bardzo krótkich połączeń lub wolno narastających (opadających) czasów sygnału cyfrowego, zjawiska odbić, opisane tutaj, mogą nie być obserwowalne i można je pominąć. Jako reguła można przyjąć, że jeśli odległość pokonana przez krawędź sygnału (tj. produkt czasu propagacji i prędkości propagacji) wynosi więcej niż 10% długości transmisji, należy zadbać o właściwe dopasowanie wyjść, wejść i linii transmisyjnej - procedura ta nazywa się dopasowaniem impedancji i obejmuje projektowanie ścieżek na PCB oraz sieci dopasowujące, składające się z rezystorów.

Dopasowanie impedancji i dopasowanie rezystancyjne

Relacja określająca warunek dopasowania impedancji jest dobrze znana. Jeśli impedancja wyjściowa nadajnika (TX) jest sprzężeniem zespolonym impedancji odbiornika, a ścieżka łącząca nadajnik i odbiornik ma oporność równą części rzeczywistej nadajnika i odbiornika, wtedy ścieżka sygnału jest dopasowana. W praktycznych przypadkach systemów cyfrowych, dopasowanie nie jest realizowane przez implementację sieci dopasowującej impedancję sprzężenia zespolonego dla ścieżki nadajnika lub odbiornika (wymagałoby to dodania do linii sygnałowych cewek i kondensatorów w celu anulowania wszelkich urojonych składników impedancji. Ponadto, tego typu dopasowanie jest zazwyczaj wąskopasmowe, więc nie ma praktycznego zastosowania w systemach cyfrowych).

Powszechną praktyką jest dopasowanie tylko rezystancyjnej części nadających i odbierających układów scalonych oraz uczynienie charakterystycznej impedancji linii transmisyjnej czysto rezystancyjną. W takim przypadku, do zapewnienia wymaganego dopasowania potrzebne są tylko rezystory, np. rezystor szeregowy na wyjściu sterownika jest jednym z możliwych rozwiązań dopasowania nadajnika do linii transmisyjnej. Na odbiorniku można użyć rezystora równoległego do masy (lub dla pary różnicowej - rezystora między ścieżkami tworzącymi parę różnicową). Niektóre przykłady związane z topologiami zakończenia odbiornika są pokazane na rysunku 1, pochodzącym z narzędzia Signal Integrity dostępnego w Altium Designer.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Rysunek 1: Dostępne topologie zakończeń w narzędziu Signal Integrity w Altium Designer

Przykłady odbić sygnałów w systemie cyfrowym

Rozdział ten omawia przykłady dopasowania sygnałów z formami fal odbitych, które będą oparte na systemie 50Ω - systemie powszechnym dla projektów częstotliwości radiowych, jednak przedstawione relacje mają zastosowanie również do systemów cyfrowych korzystających z innych profili impedancji, jak również dla sygnałów przesyłanych za pomocą par różnicowych - powszechnych dla szybkich systemów cyfrowych, np. USB3.0 czy PCIe. Przedstawione rozważania pomijają wpływ urojonej części impedancji nadajnika, odbiornika. Linia transmisyjna jest projektowana za pomocą profilu impedancji (ustawionego na 50Ω) zdefiniowanego w Altium Designer. W tym przypadku warunek dopasowania przyjmuje formę zdefiniowaną przez równanie 1, w którym każda rezystancja ma wartość 50Ω.

Do celów symulacji użyto modelu IBIS chipa LMK00334RTVR. Rezystory użyte do dopasowania komponentów dla tego chipa są wystarczająco bliskie 50Ω - udowodniono, że system jest dobrze dopasowany za pomocą symulacji, gdy użyto rezystancji 50Ω. Należy zauważyć, że LMK00334RTVR może wymagać różnych wartości dla zakończeń wejść i wyjść.

Ro=Ri=Rt=50Ω (równanie 1)

Gdzie:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

• Ro - rezystancja wyjściowa nadajnika,
• Ri - rezystancja wejściowa odbiornika,
• Rt - impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej.

Przypadek dopasowanego systemu, pojedyncza ekscytacja impulsowa

W przypadku prawidłowego projektowania dopasowania, rezystancje w sieci dopasowującej są określone przez równanie 1. Schemat takiego systemu przedstawiono na rysunku 2, a wyniki symulacji są przedstawione na rysunku 3. W systemie wzdłuż linii transmisyjnej nie występuje odbicie sygnału. Sygnał jest wysyłany z pinu U29 U1, przechodzi przez rezystor dopasowujący szeregowy (R5) i jest całkowicie pochłaniany przez rezystor obciążenia (R4) na drugim końcu linii. Cała energia została pochłonięta przez R4, więc nie wystąpiło odbicie - widoczny jest tylko impuls źródłowy.

Rysunek 2: Schemat układu użytego do symulacji

Rysunek 3: Symulacja pojedynczego impulsu w w pełni dopasowanym obwodzie

Odbicia w systemie dla pojedynczej ekscytacji impulsowej. Przypadek odbicia w fazie

Jeśli oporności podane w równaniu 1 nie są takie same, w systemie pojawiają się odbicia. Przykład odbicia sygnału przedstawiono na rysunku 4, gdzie rezystancja równoległa odbiornika została zwiększona z 50Ω do 10kΩ (patrz rysunek 2, rezystor R4) a rezystancja nadajnika (R5) została zmniejszona do 1Ω. W tym przypadku impuls wysłany przez nadajnik nie został pochłonięty przez R4 po stronie odbiornika. Sygnał został odbity i powrócił do wejścia nadajnika po około 1,6ns. Znając czas propagacji i prędkość, można obliczyć odległość od nadajnika sygnału do miejsca, gdzie wystąpiło niedopasowanie impedancji, pamiętając, że impuls pokonuje tę odległość dwa razy. Altium Designer dostarcza wartość czasu propagacji dla danej sieci - patrz rysunek 5. Czas propagacji dla tej konkretnej sieci został obliczony przez Altium Designer i wynosi 807ps. Dla podróży w obie strony jest to około 1,6ns.

Rysunek 4: Przypadek odbicia pojedynczego impulsu

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Rysunek 5: Opóźnienie propagacji linii transmisyjnej, obliczone przez Altium Designer

Odbicia w systemie dla pojedynczego impulsu ekscytacji. Przypadek odbicia niezgodnego w fazie

W tym przypadku rezystory sieci dopasowującej zostały ustawione następująco: Ro=R5=50Ω. Ponadto, Ri=R4 ustawiono na 100mΩ (można to uznać za zwarcie w porównaniu do 50Ω). Jeśli linia transmisyjna na drugim końcu jest zakończona rezystancją niższą niż rezystancja źródła i linii transmisyjnej, wówczas sygnał jest odbijany o 180 stopni poza fazę. To odbicie skutkuje negatywnym napięciem w linii transmisyjnej - patrz rysunek 6. To negatywne napięcie może prowadzić do przewodzenia diod ochronnych wyprowadzeń układu scalonego lub nawet uszkodzić układ scalony.

Rysunek 6: Negatywne i pozytywne odbicia w linii transmisyjnej

Odbicia spowodowane niejednorodnym profilem impedancji linii transmisyjnej, pojedyncze pobudzenie impulsowe

W tym przypadku nadajnik i odbiornik są dopasowane (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), podczas gdy linia transmisyjna została zaprojektowana w taki sposób, aby miała niejednorodną impedancję charakterystyczną wzdłuż swojej długości - patrz rysunek 7. Skutkuje to odbiciami sygnału spowodowanymi przez niejednorodną impedancję wzdłuż linii. Wynik symulacji dla tego przypadku, wykonany za pomocą narzędzia Altium Designer SI, przedstawiono na rysunku 8. W tym przypadku występuje seria odbić sygnału wzdłuż linii. Pokazuje to, że impedancja ścieżki transmisyjnej powinna być zaprojektowana jako jednorodna wzdłuż jej długości. Takie zaprojektowanie poprawia integralność sygnału w systemie.

Niepożądana zmiana impedancji charakterystycznej wzdłuż linii transmisyjnej może mieć różne źródła, na przykład: może być związana ze zmianą jej szerokości (jak pokazano na rysunku 7). Ponadto, inne czynniki mają znaczący wpływ na tworzenie niejednorodnej impedancji, takie jak utrata płaszczyzny odniesienia, zestaw via wzdłuż linii, pola miedzi znajdujące się w pobliżu linii transmisyjnej i inne.

PCB Design Solutions

For the Consumer Electronics Industry

Learn More

Rysunek 7: Niejednorodna impedancja wzdłuż linii transmisyjnej

Rysunek 8: Efekty niejednorodnej linii transmisyjnej

Odbicia w niedopasowanej linii transmisyjnej z ekscytacją fali prostokątnej

Rysunek 9 przedstawia przypadek niedopasowania sygnału nadajnika, odbiornika i linii transmisyjnej (w tym jej nieciągłości). W tym przypadku nadajnik przesyła do linii sygnał fali prostokątnej o częstotliwości 1 GHz, aby naśladować cyfrową komunikację w systemie. Sygnał ten zostaje całkowicie zniekształcony przez serię odbić w takim niedopasowanym systemie. Napięcie w linii transmisyjnej oscyluje wokół 1,5 V, przekraczając początkowy stan (1,85 V) o prawie 400 mV. W tym przypadku komunikacja w systemie zostanie przerwana. W linii transmisyjnej występują także składniki o wysokiej częstotliwości, przekraczające 1 GHz, które mogą być źródłem zakłóceń i problemów z EMI. Nadajnik ciągle ekscytuje linię, dostarczając energię do utrzymania tzw. fali stojącej w linii transmisyjnej, całkowicie zniekształcając pierwotny sygnał.

Rysunek 9: Niedopasowany system z ciągłą ekscytacją w linii transmisyjnej

Wnioski

Odbicia sygnału są wynikiem niedopasowania impedancji w łańcuchu sygnałowym, który obejmuje nadajnik, odbiornik oraz rezystancje lub impedancje linii transmisyjnej. Odbicia są również związane z niewłaściwym zaprojektowaniem linii transmisyjnej stosowanej w systemach cyfrowych (wysokiej prędkości) lub analogowych, takich jak fala nośna systemu radiowego. Wystąpienie odbić pogarsza integralność sygnałów i może prowadzić do zwiększonej liczby błędów w systemie oraz większej emisji elektromagnetycznej.

Wyniki symulacji przedstawione w artykule zostały przeprowadzone za pomocą narzędzia Altium Designer Signal Integrity. Altium Designer wspiera projektantów systemów o wysokiej prędkości w implementacji poprawnych schematów i projektów PCB, dostarczając narzędzi do symulacji obwodów o wysokiej częstotliwości i zjawisk, takich jak odbicia sygnałów omawiane w artykule.