Можно ли использовать последовательное и параллельное терминирование в одной цепи?

Последовательное и параллельное окончание являются наиболее распространенными вариантами резистивного окончания для цифровых сигналов. Причина в том, что сопротивление является широкополосной величиной и начинает подвергаться влиянию паразитных эффектов только на частотах, значительно превышающих ГГц. На ширине полосы канала, ассоциированной с большинством цифровых сигналов, есть случаи, когда незавершенная линия фактически требует завершения, даже если в интерфейсе нет спецификации импеданса.

Поскольку оба варианта подходят для цифровых сигналов, какой из них следует использовать для завершения длинной линии передачи без спецификации импеданса? Иногда существует мнение, что следует использовать оба или что оба могут быть использованы на каждой сети. Есть случаи, когда оба могут быть использованы одновременно, но обычно выбирается только один, поскольку он может исключить необходимость в другом.

В этой статье я рассмотрю сигнализацию, связанную с последовательными и параллельными завершениями, и специальный случай, когда вы можете видеть оба завершения.

Последовательное и параллельное завершения через передаточные функции

Объяснение, приведенное ниже, не будет основываться на динамике сигналов как таковой. Для этого вы можете прочитать эту хорошую статью от Келлы Нак, в которой показаны примеры форм сигналов. Вместо этого я рассмотрю с точки зрения передаточной функции, чтобы показать, что именно происходит с уровнями напряжения в линии передачи. Это также раскрывает влияние полосы пропускания на цифровые сигналы.

То, что я покажу ниже относительно этих двух видов терминирования и почему они часто не используются вместе на одной сети, основано на следующих предположениях:

• Интерфейсы не имеют заданной цели по импедансу, что означает, что импеданс трассы может быть любым
• Импеданс драйвера обычно имеет низкое значение, а импеданс нагрузки моделируется как простая емкостная нагрузка
• Импеданс выхода драйвера известен или может быть определен, например, путем измерения или симуляции (IBIS)

Теперь давайте подробно рассмотрим каждое из этих терминирований.

Передаточная функция последовательного терминирования

На приведенной ниже схеме показана формализация, используемая для определения передаточной функции линии передачи из параметров ABCD. Заметим, что мы также могли бы использовать S-параметры, но параметры ABCD гораздо проще.

Передаточная функция - это отношение напряжения на нагрузке к напряжению источника. Преимущество подхода с использованием передаточной функции заключается в том, что напряжение на нагрузке явно определено в терминах импеданса источника, как показано выше. Теперь мы можем подставить наши импедансы источника и любое последовательное сопротивление.

Когда последовательный резистор используется для идеального завершения линии передачи, резистор выбирается таким образом, чтобы R = ZS - Z0. Этот резистор обычно размещается на выводе драйвера IO, и теперь у нас есть соотношение, где общий импеданс источника равен ZS = Z0, поскольку это новый общий выходной импеданс. Используя определение параметров ABCD для линии передачи, мы имеем:

Здесь у нас есть передаточная функция, которая выглядит как делитель напряжения, включающий импеданс нагрузки и импеданс линии передачи. Напряжение на нагрузке:

Если мы возьмем импеданс нагрузки и сделаем его очень большим, мы получим следующее значение для напряжения на нагрузке:

Это применимо в пределах полосы пропускания канала, как определено емкостной нагрузкой. Как сигнал от драйвера изменяется после взаимодействия с общим импедансом источника, который включает последовательный резистор? Если использовать определение параметров ABCD и рассчитать V1, получается следующее, если ZS + R = Z0:

Теперь мы видим функцию последовательного резистора: при идеальном согласовании импеданс источника и импеданс трассы действуют как делитель напряжения. Если импеданс источника ниже или выше импеданса трассы, мы наблюдаем превышение или недостаток напряжения после отражения от нагрузки.

Только через отражение от нагрузки уровень сигнала восстанавливается до полного уровня. Вот почему мы обычно не применяем параллельное завершение на той же линии, когда напряжение на приемнике должно быть таким же, как и напряжение источника. Теперь давайте рассмотрим параллельное завершение само по себе.

Параллельное Завершение

С параллельным завершением вся суть в подавлении отражения от приемника, как я упоминал выше. В шине с указанным импедансом завершение обычно размещается на полупроводниковом кристалле. В более общем случае, например, с некоторыми драйверами линий, импеданс не указан, и поэтому завершение может потребоваться применить вручную.

Параллельное завершение без последовательного резистора работает следующим образом:

• Поскольку последовательного резистора нет, функция деления напряжения вызывает размещение всего сигнала на линии передачи (V1 = VS)
• Затем сигнал распространяется к нагрузке и не отражается, поэтому он полностью поглощается через параллельный резистор

Если мы предположим идеальное сопротивление источника ZS = 0, функция передачи для параллельного завершения дает следующее соотношение для напряжений нагрузки и источника:

С параллельным завершением мы видим, что в числителе есть множитель 2. Схема завершения создает сопротивление параллельно с емкостной нагрузкой, где сопротивление R = Z0. В пределах полосы пропускания частоты колена канала, определяемой этой емкостной нагрузкой, импеданс нагрузки очень близок к параллельному сопротивлению. Это снова дает нам напряжение, видимое на нагрузке, когда R = Z0 и, следовательно, ZL = Z0:

И снова мы возвращаемся к полноценному сигналу, который мы отправили в соединение.

Если сопротивление источника не равно нулю, вернитесь к определению функции передачи и подставьте значение сопротивления вашего источника. Это может быть получено из измерений или из симуляций.

Можно ли использовать одновременно последовательное и параллельное терминирование?

Когда мы сравниваем общую форму функции передачи резистора последовательного терминирования, должно быть очень ясно, почему мы не ставим намеренно также параллельный резистор, когда уже есть резистор последовательного терминирования. Если вы идеально согласуете с дискретным резистором последовательного терминирования, а затем также согласуете с параллельным резистором, то на линию попадает только половина уровня сигнала, и это поглощается параллельным резистором. Другими словами, напряжение, видимое на нагрузке, составляет:

Если вы используете компонент с уровнем сигнала 3,3 В и приемник также требует уровень сигнала 3,3 В, то вы, возможно, не сможете использовать одновременно последовательное и параллельное терминирование. Вам придется внимательно изучить логические пороги в приемнике, чтобы убедиться, что напряжение на нагрузке не слишком низкое.

Случай, когда вы намереваетесь понизить напряжение источника до более низкого напряжения нагрузки, является особым. Например, при источнике 3,3 В и нагрузке, требующей амплитуды 1,8 В, уровень сигнала, получаемый на нагрузке, будет 1,65 В при использовании как последовательного, так и параллельного терминирования. Это может быть на нижнем пределе напряжения, необходимого для регистрации как состояния ВЫСОКОГО логического уровня в приемнике. Мы можем найти и другие примеры общих логических уровней, где получаем тот же результат.

Вместо того чтобы пытаться реализовать понижение напряжения с помощью резисторов терминирования, обычно вы бы переключались между двумя разными уровнями сигнала с использованием преобразователя уровней. Эти компоненты разработаны для поддержки как специфических интерфейсов, так и совместимы с рядом возможных интерфейсов. Эти компоненты принимают различные напряжения питания и создают копию входящего сигнала на выходе, но с более высоким или более низким напряжением. Пример для SN65DP159 от Texas Instruments показан ниже.

Относится ли все это к дифференциальным парам?

Ответ - "да" с замечанием; если используется дифференциальная пара, то замените характеристическое сопротивление в вышеупомянутых передаточных функциях на нечетное сопротивление моды и рассчитайте разницу в сигналах противоположной полярности на стороне приемника интерконнекта.

Большинство дифференциальных интерфейсов имеют конкретные требования к терминированию и требования к сопротивлению трасс, которые уже реализованы на кристалле на стороне драйвера линии (как минимум). Когда требуется постоянное соединение, это терминирование на кристалле на стороне драйвера исключает использование последовательного резистора. В других случаях, параллельное терминирование может быть использовано, когда компонент приемника не имеет терминирования на кристалле, что не является обычным. Использование терминирования (последовательного, параллельного или обоих) все еще может быть применено в специальных случаях, но это будет указано в технических описаниях, определено через тестирование, или оно уже будет включено на кристалле.

Как только вы найдете передаточную функцию линии передачи и будете готовы к размещению вашего канала, используйте инструменты проектирования и размещения в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в сегодняшней междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.