Métodos de Terminação em PCBs de Alta Velocidade e Alta Frequência

O tema da terminação inevitavelmente surgirá ao lidar com sistemas digitais de alta velocidade. A maioria dos sistemas digitais possui pelo menos uma interface de alta velocidade padronizada, ou possivelmente GPIOs rápidos que produzem sinais de transição rápida. Sistemas avançados terão muitas interfaces padronizadas que também possuem terminação aplicada, normalmente no próprio chip semicondutor. Se você determinar que realmente precisa de terminação, qual método deve ser usado?

Como se verifica, a aplicação de terminadores discretos não é muito comum na maioria dos sistemas digitais porque tantos componentes implementam barramentos padronizados para comunicação digital. Mas se você está lidando com componentes avançados que possuem E/S rápidas, então você pode precisar aplicar manualmente a terminação com componentes discretos. A outra instância em que isso surge é com lógica especializada, como é às vezes usada em certos processadores e FPGAs. Finalmente, há a questão da terminação RF, que é muito diferente da terminação em sistemas digitais.

Quando e Como Aplicar Terminação

Como foi mencionado acima, existe uma faixa estreita de casos onde a terminação com componentes discretos precisa ser aplicada manualmente.

• Sua interface não possui uma especificação de impedância
• Seus datasheets indicam que é necessária a terminação manual
• Sua especificação de interface exige uma terminação específica (por exemplo, DDR, terminação Bob Smith em Ethernet)

A correspondência de impedância em RF e digital são um pouco diferentes. No geral, o objetivo é o mesmo: o sinal enviado para uma linha de transmissão deve experimentar perda mínima durante a propagação e ser registrado no nível correto de tensão/potência pelo componente receptor. A tabela abaixo compara métodos de terminação usados em digital e RF:

O próximo ponto a entender é a seleção adequada de um método de terminação para o seu sistema específico. As seções abaixo fornecem visões gerais breves e links para recursos sobre os vários tipos de terminações que podem ser usados em interconexões de extremidade única, diferencial e RF.

Terminação em Série

Este método de terminação envolve a colocação de um resistor em série logo no pino de saída do driver. Tecnicamente, as linhas de transmissão são sistemas lineares e um resistor em série poderia ser colocado em qualquer ponto ao longo da interconexão. No entanto, é preferível colocar o resistor em série logo na saída do driver, pois isso proporciona a escala mais precisa do sinal de saída e a supressão correta de reflexões.

• Cálculo do Resistor de Terminação em Série
• Amortecimento e Transferência de Reflexão com um Resistor de Terminação em Série

Os valores dos resistores em série necessários para a terminação podem ser difíceis de determinar, pois os dados necessários nem sempre estão presentes na folha de dados. Em vez disso, precisa ser determinado a partir de um bom modelo IBIS conhecido para o pino de condução, ou precisa ser determinado por meio de medição. Portanto, às vezes é mais desejável usar a terminação paralela.

Terminação Paralela

A terminação paralela é usada para suprimir reflexos em um receptor, garantindo também que a tensão de escala completa seja recebida pelo pino de entrada da carga. Portanto, ela precisa ser colocada diretamente no pino de entrada no componente de carga, e o valor do resistor é definido para ser igual à impedância da linha de transmissão.

• Forma de Onda e Explicação da Terminação Paralela
• Terminador Paralelo em Linhas Ramificadas

Em alguns casos especiais, a terminação paralela e a terminação em série podem ser usadas juntas no mesmo interconexão, mas isso não é comum. Isso é mais frequentemente encontrado em lógicas especiais, onde o nível do sinal de saída pode precisar ser intencionalmente reduzido para uma tensão mais baixa, mas não necessariamente com um resistor em série perfeitamente combinado. Outra instância é onde um designer tenta suprimir o salto de terra colocando um resistor em série para amortecimento, mas a reflexão na carga ainda é suprimida com a terminação paralela.

Terminação Thevenin, Pull-Up e AC

A terminação Thevenin, terminação pull-up e terminação AC são todos tipos de terminações paralelas aplicadas no pino de entrada de um componente receptor. Eles essencialmente desempenham a mesma função que a simples terminação paralela com um resistor, mas com algumas consequências adicionais.

• Thevenin - ajusta o nível de tensão e extrai energia de uma tensão de alimentação alternativa
• Pull-up - força o sinal a alternar em torno de algum nível de tensão de término; pode ser usado para inversão lógica
• Terminação AC - limita a largura de banda do canal para frequências mais baixas e fornece uma função de filtragem

Entre esses três tipos de terminações, Thevenin e pull-up são mais utilizados. É mais provável que você veja esses implementados no die semicondutor em vez de com discretos. Se usados com discretos, provavelmente é um caso de lógica especial. Todas as três terminações podem ser encontradas em interfaces diferenciais como parte da terminação dividida.

Terminação RF

O uso de terminação RF envolve essencialmente a colocação de filtros na saída de um driver ou na entrada de um receptor/carga de modo que a impedância de saída de uma fonte atinja uma impedância alvo. Circuitos de casamento de impedância RF idealmente deveriam ter resistência zero, significando que eles deveriam usar apenas componentes reativos. A razão é que preferiríamos não perder nenhuma potência à medida que um sinal interage com a rede de casamento de impedância.

Resistores são componentes de terminação de banda larga, portanto queremos usá-los com sinais de banda larga como sinais digitais. Redes de casamento de impedância reativas produzem casamento de impedância apenas dentro de uma certa largura de banda:

• Circuitos de terminação com componentes reativos criam passagens de alta-Q ou baixa-Q
• Vários componentes reativos podem ser combinados em estágios para produzir filtros de ordem superior
• Alguns circuitos terão ondulação em sua faixa de passagem, o que depende da topologia da rede de terminação

Outro método que não envolve o uso de discretos é o uso de seções de linha de transmissão. Essas seções aplicam correspondência de impedância apenas em larguras de banda de alta-Q muito elevadas e são melhores utilizadas com sinais harmônicos. Para entender por que esses pontos são importantes, leia os links abaixo.

• Projeto de Transformador de Quarto de Onda Para Cargas Reais e Reativas
• Simulação de Parâmetros-S em Redes de Correspondência de Impedância
• Como Projetar um Afilamento de Trilha RF para Correspondência de Impedância

Acima de alguns GHz, a terminação com componentes discretos não funcionará conforme projetado devido à presença de parasitas. É por isso que componentes operando a muitos GHz tendem a colocar elementos de correspondência de impedância diretamente no die do semicondutor, para que os pinos de saída correspondam diretamente a 50 Ohms. Até alguns GHz, a colocação e os valores usados em componentes discretos precisam ser simulados e medidos.

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