Entendendo Reflexões de Sinal para Design de Alta Velocidade

Introdução

Reflexões de sinal e a engenharia relacionada à correspondência de impedância são um dos tópicos básicos relacionados ao design de sistemas digitais de alta velocidade. No caso de sistema digital com alta taxa de bits, no qual informações sobre o estado dos bits "0" e "1" são enviadas na forma de um sinal de onda quadrada, assume-se que o tempo de subida (ou descida) das bordas ascendentes e descendentes são negligenciáveis em relação à frequência do sinal binário. Na prática, um sinal digital nunca sobe e desce infinitamente rápido. O tempo de subida (e descida) é determinado pelos parâmetros do caminho do sinal que inclui os parâmetros do transmissor, receptor e as características físicas da linha de transmissão.

No caso de sistemas de alta velocidade, o tempo de subida e descida pode ser tão curto quanto 1ns ou abaixo. A frequência do sinal binário em sistemas digitais pode alcançar vários GHz e, para manter uma forma relativamente retangular, as bordas de subida e descida devem ser uma fração da duração do bit.

A velocidade de propagação de ondas eletromagnéticas (propagação de tensão e corrente na linha de transmissão) depende de vários fatores, incluindo o tipo de linha de transmissão e o tipo de substrato. Por exemplo: para substrato FR4 e linhas de transmissão microstrip, a velocidade de propagação é aproximadamente 160Mm/s (megametros por segundo) ou 525Mft/s (mega pés por segundo). Se o tempo de subida (ou descida) da borda for, por exemplo, 200ps, então a borda ascendente (ou descendente) percorrerá ao longo da linha de transmissão 32mm ou 1,25 polegada durante o tempo de subida ou descida.

A retenção da forma do sinal depende se a linha de transmissão ao longo do PCB, por um comprimento comparável à distância percorrida pela borda ascendente (ou descendente), mantém a continuidade da impedância e a terminação adequada no lado do receptor. No caso de conexões muito curtas ou tempo de subida (descida) lento do sinal digital, os fenômenos de reflexões, como descritos aqui, podem não ser observáveis e podem ser ignorados. Como regra geral, pode-se assumir que se a distância percorrida pela borda do sinal (ou seja, o produto do tempo de propagação e a velocidade de propagação) for mais de 10% do comprimento da transmissão, deve-se ter cuidado para combinar adequadamente as saídas, entradas e a linha de transmissão - este procedimento é chamado de casamento de impedância e inclui o design das trilhas no PCB, bem como redes de casamento, compostas por resistores.

Casamento de impedância e casamento resistivo

A relação que determina a condição de casamento de impedância é bem conhecida. Se a impedância de saída do TX for um conjugado complexo da impedância do receptor e o caminho que conecta o transmissor e o receptor tiver a resistência igual à parte real do transmissor e do receptor, então o caminho do sinal está casado. Em casos práticos de sistemas digitais, o casamento não é realizado implementando uma rede de casamento de impedância conjugada complexa para o caminho do transmissor ou receptor (isso exigiria indutores e capacitores adicionados às linhas de sinal para cancelar quaisquer componentes de impedância imaginários. Além disso, esse tipo de casamento é geralmente de banda estreita, então não tem aplicação prática em sistemas digitais).

Uma prática comum é casar apenas a parte resistiva dos ICs transmissores e receptores e tornar a impedância característica da linha de transmissão puramente resistiva. Neste caso, apenas resistores são necessários para fornecer o casamento requerido, por exemplo, um resistor em série na saída do driver é uma das possíveis soluções para casar o transmissor com a linha de transmissão. No receptor, um resistor paralelo ao terra pode ser usado (ou para um par diferencial - um resistor entre os traços formando o par diferencial). Alguns exemplos relacionados a topologias de terminação do receptor são mostrados na figura 1 retirada da ferramenta de Integridade de Sinal disponível no Altium Designer.

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Figura 1: Topologias de terminação disponíveis na ferramenta de Integridade de Sinal do Altium Designer

Exemplos de reflexões de sinal no sistema digital

Este capítulo discute exemplos de correspondência de sinal com formas de onda de reflexão que serão baseadas no sistema de 50Ω - sistema comum para designs de frequência de rádio, no entanto, as relações apresentadas nesta seção também se aplicam a sistemas digitais que usam outros perfis de impedância, bem como para sinais transmitidos por meio de pares diferenciais - comum para sistemas digitais de alta velocidade, por exemplo, USB3.0 ou PCIe. As considerações apresentadas omitem a influência da parte imaginária da impedância do transmissor, receptor. A linha de transmissão é projetada por meio de perfil de impedância (definido para 50Ω) definido no Altium Designer. Neste caso, a condição de correspondência assume a forma definida pela equação 1 na qual cada resistência tem um valor de 50Ω.

Para fins de simulação, foi utilizado o modelo IBIS do chip LMK00334RTVR. Resistores usados para componentes de correspondência para este chip são suficientemente próximos de 50Ω - foi comprovado que o sistema está bem ajustado por meio de simulação quando resistências de 50Ω foram usadas. Note que o LMK00334RTVR pode requerer valores diferentes para terminar entradas e saídas.

Ro=Ri=Rt=50Ω (eq. 1)

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• Ro - resistência de saída do transmissor,
• Ri - resistência de entrada do receptor,
• Rt - impedância característica da linha de transmissão.

Caso de sistema casado, excitação de pulso único

No caso de um projeto de casamento adequado, as resistências na rede de casamento são definidas por uma equação 1. O diagrama de tal sistema é mostrado na figura 2 e os resultados da simulação são apresentados na figura 3. Não há reflexão de sinal no sistema ao longo da linha de transmissão. O sinal é enviado do pino U29 de U1, passa pelo resistor de casamento em série (R5) e é completamente absorvido pelo resistor de carga (R4) na outra extremidade da linha. A energia total foi absorvida por R4 e, portanto, não ocorreu reflexão - apenas o pulso da fonte é visível.

Figura 2: Esquemático da configuração do circuito usada para simulação

Figura 3: Simulação de pulso único em circuito totalmente casado

Reflexões no sistema para uma excitação de pulso único. Caso de reflexão em fase

Se as resistências fornecidas pela equação 1 não forem as mesmas, ocorrem reflexões no sistema. Um exemplo de reflexão de sinal é apresentado na figura 4, onde a resistência de shunt do receptor foi aumentada de 50Ω para 10kΩ (veja a figura 2, resistor R4) e a resistência do transmissor (R5) foi reduzida para 1Ω. Neste caso, o pulso enviado pelo transmissor não foi absorvido por R4 no lado do receptor. O sinal foi refletido e retornou à entrada do transmissor após cerca de 1,6ns. Conhecendo o tempo de propagação e a velocidade, pode-se calcular a distância do transmissor de sinal até o local onde ocorreu a incompatibilidade de impedância, lembrando que o pulso percorre essa distância duas vezes. O Altium Designer fornece o valor do tempo de propagação para uma dada rede - veja a figura 5. O tempo de propagação para esta rede específica foi calculado pelo Altium Designer e é igual a 807ps. Para uma viagem de ida e volta, isso é aproximadamente 1,6ns.

Figura 4: Caso de reflexão de um único pulso

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Figura 5: Atraso de propagação da linha de transmissão, calculado pelo Altium Designer

Reflexões no sistema para uma excitação de pulso único. Caso de reflexão fora de fase

Neste caso, os resistores da rede de correspondência foram configurados da seguinte forma: Ro=R5=50Ω. Além disso, o Ri=R4 foi ajustado para 100mΩ (pode ser considerado como um curto-circuito comparado a 50Ω). Se a linha de transmissão na outra extremidade for terminada com uma resistência que é menor do que a resistência da fonte e da linha de transmissão, então o sinal é refletido 180 graus fora de fase. Esta reflexão resulta em uma tensão negativa na linha de transmissão - veja a figura 6. Esta tensão negativa pode levar à condução dos diodos de proteção dos pinos do circuito integrado ou até mesmo danificar o chip.

Figura 6: Reflexões negativas e positivas na linha de transmissão

Reflexões causadas por um perfil de impedância não uniforme da linha de transmissão, excitação de pulso único

Neste caso, o transmissor e o receptor são compatíveis (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), enquanto a linha de transmissão é projetada para ter uma impedância característica não uniforme ao longo de seu comprimento - veja a figura 7. Isso resulta em reflexões causadas pela impedância não uniforme ao longo da linha. O resultado da simulação para este caso, feito na ferramenta SI do Altium Designer, é mostrado na figura 8. Neste caso, ocorre uma série de reflexões de sinal ao longo da linha. Isso mostra que a impedância do caminho de transmissão deve ser projetada para ser uniforme ao longo de seu comprimento. Tal design melhora a integridade do sinal do sistema.

Mudanças indesejadas na impedância característica ao longo da linha de transmissão podem ter diferentes origens, por exemplo: pode estar relacionada a uma mudança em sua largura (como mostrado na figura 7). Além disso, outros fatores desempenham um papel significativo na criação de impedância não uniforme, por exemplo, perda do plano de referência, conjunto de vias ao longo da linha, campos de cobre localizados próximos à linha de transmissão e mais.

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Figura 7: Impedância não uniforme ao longo da linha de transmissão

Figura 8: Efeitos da linha de transmissão não uniforme

Reflexões na linha de transmissão incompatível com excitação de onda quadrada

A Figura 9 apresenta o caso de desajuste de sinal do receptor, transmissor e linha de transmissão (incluindo sua descontinuidade). Neste caso, o transmissor alimenta a linha com um sinal quadrado de 1GHz para imitar a comunicação digital no sistema. Esse sinal torna-se completamente distorcido por uma série de reflexões em tal sistema desajustado. A tensão da linha de transmissão oscila em torno de 1,5V, excedendo também o estado inicial (1,85V) em quase 400mV. Neste caso, a comunicação no sistema será interrompida. Há também componentes de alta frequência na linha excedendo 1GHz que podem ser uma fonte de interferência e problemas com EMI. O transmissor excita constantemente a linha, fornecendo energia para manter a chamada onda estacionária na linha de transmissão, distorcendo completamente o sinal original.

Figura 9: Sistema desajustado com excitação contínua na linha de transmissão

Conclusões

Reflexões de sinal são o resultado de desajuste de impedância na cadeia de sinal, que inclui o transmissor, receptor e as resistências ou impedâncias da linha de transmissão. Reflexões também estão relacionadas ao projeto incorreto da linha de transmissão usada para sinais digitais (de alta velocidade) ou analógicos, como a onda portadora de um sistema de rádio. A ocorrência de reflexões deteriora a integridade dos sinais e pode levar a uma taxa de erro aumentada no sistema, bem como a emissões eletromagnéticas aumentadas.

Os resultados da simulação apresentados no artigo foram realizados na ferramenta de Integridade de Sinal do Altium Designer. O Altium Designer apoia os projetistas de sistemas de alta velocidade na implementação do esquemático correto e do design de PCB, fornecendo ferramentas para simular circuitos de alta frequência e fenômenos, como as reflexões de sinal discutidas no artigo.