Расчет резистора последовательного подключения

В линиях передачи некоторые вещи кажутся никогда не простыми. Определение техники завершения и значений компонентов в сети завершения не должно быть сложной задачей. Большинство программ для проектирования печатных плат заставляют вас искать калькуляторы в интернете или проводить расчеты вручную. Вместо этого ваше программное обеспечение для проектирования должно облегчить тестирование диапазона значений компонентов в вашей сети завершения.

Некоторые компоненты, дорожки, дифференциальные пары и соединения, проходящие через переходные отверстия, должны быть согласованы по импедансу, чтобы предотвратить возникновение эффектов линии передачи в высокоскоростных или высокочастотных схемах. Хотя небольшие несоответствия импеданса допустимы, некоторые драйверы сигналов будут иметь импеданс, который не соответствует стандартному значению в 50 Ом, обычно используемому для сигнальных дорожек. Следует отметить, что некоторые стандарты маршрутизации и компьютерной архитектуры (например, PCIe Gen 2 и Gen 3) также используют другое значение для импеданса дифференциальной пары.

Если вы определили, что ваша дорожка начнет проявлять эффекты линии передачи. В этой статье я покажу, как использовать инструменты целостности сигнала в Altium Designer^® для определения правильного значения последовательного резистора.

Какую сеть завершения мне использовать?

На этот вопрос есть несколько ответов, поскольку существует несколько возможных сетей или терминаторов. Для цифровых сигналов мы предпочитаем резистивное завершение, потому что резисторы являются широкополосными компонентами. Они могут использоваться для завершения драйверов с очень высокой пропускной способностью, когда установлены непосредственно на вывод драйвера интегральной схемы. В отличие от этого, выход РЧ или антенна предпочтут LC-сеть, потому что мы не хотим иметь резистивные потери мощности, и точное размещение индуктора и конденсатора (либо последовательно, либо как шунтирующий элемент) зависит от того, как вам нужно сдвинуть импеданс, чтобы соответствовать резонансной частоте.

Что касается резистивного завершения, два распространенных метода, которые используются, это последовательное завершение (установленное на выводе драйвера) и параллельное завершение (установленное на приемнике к GND). Есть две важные вещи, которые нужно помнить о последствиях последовательного завершения:

Некоторые причины использования последовательного терминирующего резистора на стороне драйвера включают:

1. Если линия достаточно длинная, что вы ожидаете отражений от незавершенной нагрузки, необходимо использовать резистор между незавершенным драйвером и трассой, и импеданс сигнального драйвера меньше, чем импеданс вашей трассы
2. Вы хотите увеличить демпфирование, наблюдаемое на выходе, чтобы помочь подавить отскок от земли,следующий, SSN, иликолебания на очень короткой линии
3. Если сигнал, производимый драйвером, нужно замедлить, что может быть использовано в быстром интерфейсереализовано в FPGAили когда производимые сигналы являются управляющими сигналами, которые не обеспечивают непрерывный поток данных

В пункте №1 вы можете разместить последовательный резистор на выходе вашего драйвера, но это очень редко, если стандартная однопроводная цифровая шина (такая какSPI) прокладывается на очень большое расстояние и имеет низкое время нарастания. Пункт №1 также может быть использован в случае, когда используются специализированные компоненты РЧ, и эти компоненты не имеют встроенного завершения. Пункт №2 более распространен, особенно когда сигнал генерируется современным процессором, таким как MCU, FPGA или MPU.

Если вы определили, что вам необходима последовательная терминировка, например, на основе расчета критической длины, то резистор должен быть самого маленького возможного размера, который вы планируете установить на плату, и проще всего разместить его прямо у выходного контакта драйвера. Чтобы определить сопротивление последовательной терминировки, вам либо нужно знать уже имеющееся сопротивление источника, либо у вас должна быть модель симуляции для выходного буфера драйвера (например, IBIS). Если вы знаете сопротивление выхода источника, тогда требование к сопротивлению последовательной терминировки будет следующим:

Вот как это сделать в симуляции, если вы знаете семейство логики или у вас есть модель IBIS для выходного контакта драйвера.

Определение сопротивления последовательной терминировки

Общий метод определения сопротивления последовательной терминировки с помощью симуляции заключается в итерации через ряд значений сопротивления резисторов. Как только вы запустите симулятор, вы увидите график, который показывает, как каждое значение компонента в сети влияет на ваш сигнал. Это позволяет вам визуально определить лучшие значения компонентов для использования в вашей сети терминировки.

• Узнайте больше о том, как последовательная терминировка влияет на уровни напряжения

Процесс ниже применим как к дифференциальным сигналам, так и к однополярным сигналам, которые не являются частью стандартизированного интерфейса. Помните, что дифференциальный сигнал может рассматриваться как два отдельных однополярных сигнала, каждый с определенным нечетным импедансом, поэтому метод последовательного терминирования, показанный ниже, применим к дорожке в паре дифференциальных сигналов, если вы учтете небольшое отклонение между нечетным и однополярным импедансом.

Настройка инструмента проверки целостности сигнала

Как только вы зафиксируете вашу схему и разместите вашу плату, вы будете готовы определить подходящий резистор терминирования для ваших дорожек. Как только ваша плата будет подготовлена, вы можете получить доступ к инструменту проверки целостности сигнала в Altium Designer из меню Инструменты -> Целостность сигнала…

Доступ к инструменту проверки целостности сигнала в Altium Designer

Инструмент Целостность сигнала необходимо настроить, выбрав семейство логики для контактов на драйвере и приемнике, или добавив модели IBIS к компоненту. Вы также можете изменить используемый сигнальный стимул в диалоговом окне Целостности сигнала.

Как только вы откроете инструмент проверки целостности сигнала, вы должны увидеть диалоговое окно проверки целостности сигнала, показанное на изображении ниже. Здесь вам нужно будет выбрать, какие сигнальные сети вы хотите исследовать. Вы можете дважды щелкнуть по сигнальным сетям, которые хотите исследовать, и они будут добавлены в таблицу с правой стороны диалогового окна.

Выбор сетей и сетей завершения для вашей симуляции целостности сигнала

Вы также увидите список сетей завершения. В следующем примере мы собираемся исследовать две однопроводные дорожки (NC1 и NC2). Обратите внимание, что вы можете изменить количество проходов, а также параметры в сети завершения. Вы также можете исследовать одну из дифференциальных пар (например, NC3_P и NC3_N), используя те же шаги, что и здесь.

Результаты для однопроводных соединений

Мы рассмотрим сеть последовательного завершения, а также сеть завершения "Параллельное соединение резистора и конденсатора на землю". Обратите внимание, что вы можете выбрать максимальные и минимальные значения для вашего анализа, а также напряжение VCC.

Здесь вы можете изменить значения резисторов завершения в вашей согласующей сети

Теперь, когда вы настроили симуляцию, нажмите кнопку «Отраженные волновые формы...», чтобы начать симуляцию. Altium Designer будет перебирать различные значения резисторов и генерировать серию графиков. Результаты для сетей NC1 и NC2 показаны на рисунке ниже.

Результаты отражения сигнала для различных согласующих сетей

Исходя из приведенных выше результатов, мы видим, что резистор последовательного согласования (два верхних графика) и комбинация резисторов к VCC и земле на самом деле не лучший выбор для этой платы. Оба результата помогают немного уменьшить дребезг, но нам также нужно компенсировать медленное время нарастания сигнала. Поэтому мы должны попробовать другую сеть и повторить процесс.

Здесь мы можем вернуться и выбрать сеть «Параллельное соединение резистора и конденсатора с землей» и проверить, как эта сеть влияет на сигналы в цепях NC1 и NC2. Результаты для этой сети показаны ниже. Чтобы увидеть значения каждого компонента в сети, просто щелкните по одной из меток в легенде справа от графика. На этой плате оказывается, что оптимальная сеть трассировки использует резистор на 56,67 Ом и конденсатор на 83,33 пФ (красный сигнал на нижнем графике).

Результаты отражения сигнала для сети резистора/конденсатора

Процесс для дифференциальной пары

Чтобы исследовать дифференциальную пару, вы можете вернуться к диалоговому окну Целостности Сигнала и исследовать каждую трассу в дифференциальной паре. Если мы рассмотрим формулу последовательного завершения, показанную выше, мы должны помнить, что дифференциальное сопротивление определяется в терминах его нечетного сопротивления; именно это значение используется для завершения последовательного резистора. Поскольку характеристическое сопротивление трассы в дифференциальной паре всегда больше, чем нечетное сопротивление, мы можем записать следующее соотношение:

Исходя из этого отклонения, значение резистора последовательного соединения, необходимое для дорожки в дифференциальной паре, будет немного ниже значения сопротивления последовательного соединения, определенного инструментом для проверки целостности сигнала:

Продвинутый контроль импеданса маршрутизации

Без сомнения, ваш лучший выбор - использование маршрутизации с контролируемым импедансом, чтобы вы могли обеспечить постоянство значений импеданса ваших дорожек по всей плате. В идеале это поможет избежать необходимости применять сеть завершения к каждой отдельной дорожке на вашей плате, что сэкономит вам значительное количество времени на проектирование.

Определение подходящей сети завершения для использования на вашей печатной плате значительно упрощается, когда вы работаете с пакетом проектирования ПП, который включает инструменты проектирования и моделирования питания. С Altium Designer у вас будет полный контроль над расположением слоев и дизайном, а ваши инструменты моделирования будут брать данные непосредственно из вашей компоновки. Эти инструменты напрямую адаптируются к жестко-гибким и многослойным системам.

Скачайте бесплатную пробную версию Altium Designer, чтобы увидеть, как мощные инструменты проверки целостности сигнала могут помочь вам. Вы получите доступ к лучшим функциям проектирования, которые требует отрасль, в одной программе. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.