Затухание и передача отражения с использованием последовательного терминирующего резистора

Согласование импеданса трассы, источника и нагрузки важно для плат, содержащих линии передачи. Для достижения этих условий в некоторых проектах используются последовательные резисторы на однопроводных линиях передачи. Причины этого могут быть разными: иногда это делается для замедления сигнала, иногда для установки выходного импеданса драйвера, в зависимости от того, кого вы спросите.

Как удивительно это ни звучит, размещение последовательных резисторов для терминации иногда неправильно понимают. Возникают вопросы:

• Когда вам нужно вручную размещать последовательные резисторы?
• Когда можно полагаться на простое проектирование линии передачи с целевым импедансом?
• Что делать с короткими и длинными линиями передачи?
• Как емкостная нагрузка и отскок от земли влияют на целостность сигнала с последовательным резистором?
• Есть ли разница между однопроводными и дифференциальными линиями?
• Что делать, если в стандарте сигнализации не указано требование к импедансу (например, SPI или I2C)

В этой статье я рассмотрю некоторые из вышеупомянутых вопросов с точки зрения быстрых GPIO и последовательных шин. Мы часто рассматриваем стандарт, как SPI, и легко предположить, что терминирование не требуется, поскольку в стандарте не указано требование к импедансу, и шина будет работать медленно. Это не всегда верно, и размещение любого терминирующего резистора повлияет на время нарастания инжектируемого сигнала, входной импеданс трассы и уменьшение перерегулирования на линии.

Две функции последовательного терминирующего резистора на однопроводных линиях

Типичные причины использования последовательного терминирования следующие:

• Шина не имеет спецификации импеданса
• Выходной импеданс и уровень сигнала корректируются до целевого значения для специализированной логики
• Драйвер с толкателем переключается очень быстро (может быть как низко, как несколько нс)
• Время нарастания сигнала, видимое на приемнике, зависит от емкости нагрузки
• Выходной импеданс драйвера обычно низкий
• На линии присутствует дребезг

Последняя точка может быть вызвана двумя факторами: отражением на длинной линии передачи или возбуждением переходного процесса на короткой линии. Первое связано с несоответствием импедансов, в то время как последнее связано с теми же факторами, которые вызывают отскок земли.

Отражение на длинной линии: Иногда на источнике используется последовательное завершение, поскольку выходной импеданс драйвера всегда меньше одиночного импеданса линии передачи. В идеальном случае выходной импеданс составляет 0 Ом, но в общем случае он будет небольшим ненулевым значением. Простейший способ определить значение резистора завершения - вычесть выходной импеданс из импеданса линии передачи:

Демпфирование на короткой резонансной линии: Резистор последовательного подключения может быть использован для увеличения постоянной демпфирования в эквивалентной схеме линии передачи. Если резистор последовательного подключения принимает как раз нужное значение, вы можете критически затухать любые переходные колебания, которые могут возникнуть в короткой линии:

Обратите внимание, что Z(демпфирование) не всегда равно Z(TL). Оба случая зависят от знания выходного импеданса драйвера.

Например, если выходной импеданс вашего драйвера варьируется от 20 до 30 Ом в состояниях ВКЛ и ВЫКЛ соответственно, то лучше всего использовать резистор последовательного подключения на 25 Ом. Это определит импеданс от 45 до 55 Ом на источнике, что помещает вас в пределы вариации +/- 10% от целевого импеданса трассы 50 Ом, предполагая, что нет других факторов, вызывающих вариации выходного импеданса. Спасибо доктору Говарду Джонсону за указание на это.

Резистор последовательного подключения в короткой резонансной однопроводной линии

На короткой однопроводной линии передачи сигнал обычно нарастает по всей длине линии передачи. Это означает, что емкость нагрузки заряжается, пока сигнал все еще подается в линию передачи. В этом случае мы бы сказали, что линия передачи ниже своей критической длины. В этом случае емкость нагрузки будет иметь два эффекта здесь:

1. Емкость нагрузки способствует общей емкости, видимой сигналом
2. Если в пути сигнала есть избыточная индуктивность, может возникнуть сильный отскок от земли

С точки зрения моделирования ответа, вы можете рассматривать канал как сосредоточенную RLC-цепь, как показано ниже. Сосредоточенная RLC-цепь включает в себя общую индуктивность L1 + L2 при выключении, или L3 + L2 при включении; емкость поступает от емкости нагрузки и емкости дорожки. Мы обычно игнорируем R1 при анализе, поскольку сопротивление будет очень низким (значение в миллиомах) во включенном состоянии.

Если вы проанализируете эквивалентную модель RLC, которая определяет линию передачи с последовательным терминирующим резистором, вы сможете быстро определить уровень демпфирования, обеспечиваемый наличием последовательного терминирующего резистора. Поскольку это цепь RLC, она может демонстрировать колебания, которые накладываются поверх уровня сигнала ВКЛ или ВЫКЛ. Этот переходный процесс будет виден как высокочастотное превышение на приемнике, поэтому желательно демпфировать это превышение, если это возможно.

Когда линия передачи критически демпфирована, переходное колебание будет полностью подавлено, при этом сохраняется наиболее быстрое время нарастания сигнала. Как добавить демпфирование? Это делается с помощью последовательного резистора, и правильно подобранный последовательный резистор приведет вас к критическому демпфированию. Если вы рассчитаете частоту переходного колебания и демпфирование в этой модели RLC, вы сможете определить значение последовательного терминирующего резистора, необходимое для достижения критического демпфирования:

Действительно ли возможно критически демпфировать реакцию? Ответ - "возможно"...

Сразу видно, что выходное сопротивление источника и последовательный терминирующий резистор могут быть почти в два раза больше эквивалентного сопротивления канала для достижения критического демпфирования, особенно когда сопротивление источника очень мало. Обратите внимание, что у нас есть следующие параметры, которые дают нам общую индуктивность и сопротивление:

• C(линии) - Обычно 2 до 3 пФ/дюйм
• C(нагрузки) - От 1 до 10 пФ (может быть больше)
• L(линии) - Обычно 5 до 10 нГн/дюйм
• L(1) и L(3) - Порядка ~1 нГн из-за любых переходных отверстий и каркаса выводов
• Z(источника) - Возможно до 20 Ом для типичной двухтактной шины, которая не имеет спецификации по импедансу

Поскольку эти параметры суммируются в числителе и знаменателе, мы видим, что сопротивление последовательного резистора должно быть по крайней мере равно характеристическому импедансу, чтобы достичь критического демпфирования. Очевидно, учитывая потери мощности на последовательном резисторе, у вас может не остаться достаточно сигнала на приемнике для переключения логического состояния. На мой взгляд, меньшие резисторы (22 или 33 Ома) лучше, и я часто вижу их на многих конструкциях.

Пример на электрически короткой (1 дюйм) линии

Давайте рассмотрим пример:

1. Предположим, что в приведенном выше примере земля и питание имеют соединения через переходные отверстия с L(переходное отверстие) = 1 нГн. Если у нас есть линия длиной 1 дюйм с C(нагрузка) = 4 пФ, L(линия) = 7.5 нГн/дюйм и C(линия) = 3 пФ/дюйм. Общее сопротивление источника, необходимое для достижения критического демпфирования, будет 70 Ом
2. . Если выходное сопротивление I/O составляет 10 Ом, то последовательный резистор должен быть 60 Ом
3. . Демпфированная резонансная частота будет 646 МГц, что приведет к периоду недодемпфированных колебаний 1.55 нс

. Поскольку характеристическое сопротивление линии нацелено на 50 Ом, и вы видите резонанс на осциллографе, можно было бы естественно предположить, что звон вызван отражениями и последовательное сопротивление в 40 Ом устранит звон. На самом деле, поскольку звон на самом деле вызван возбуждением резонанса в короткой линии, полное демпфирование звона не происходит, если вы не увеличите размер последовательного резистора

. Демпфирование и Согласование Имеют Компромисс

Вышеизложенное показывает, что существует компромисс между демпфированием и согласованием импедансов: нельзя критически демпфировать ответ и идеально согласовать импедансы одновременно без потери некоторой мощности на последовательном резисторе. Если вы точно согласуете импеданс источника с импедансом линии передачи, то возникнут две проблемы:

• Вы получите недостаточно демпфированное колебание, когда драйвер переключается.
• Вы потеряете некоторую мощность на последовательном резисторе, и вы можете не зарегистрировать правильное напряжение на нагрузке, если только нагрузка не будет высокоимпедансной, как определено её емкостью нагрузки.

Вот почему мы вместо этого выбираем байпасный конденсатор в качестве решения этой проблемы. Полученная модель будет выглядеть как показано ниже, где байпасный конденсатор эффективно включен последовательно для компенсации переходных колебаний и отскока земли.

Устраняют ли байпасные конденсаторы необходимость в последовательном резисторе? И здесь ответ может быть "возможно". Я бы утверждал, что вам следует пройти следующий процесс:

1. Примените рекомендуемый или рассчитанный обходной конденсатор в первую очередь
2. В техническом описании вашего однополярного драйвера должно быть указано значение времени нарастания в зависимости от емкости нагрузки приемника
3. Исходя из емкости нагрузки в вашем дизайне, определите, будет ли скорость фронта слишком высокой для обеспечения низкого уровня шума
4. Если скорость фронта слишком высока, вы превышаете критическую длину, или у вас все еще будет избыточный выброс при низкой емкости нагрузки, добавьте небольшой последовательный резистор.

Эти моменты важны, поскольку некоторые процессоры становятся более совершенными с меньшими размерами. Эти устройства будут демонстрировать продолжающуюся тенденцию к снижению емкости нагрузки, что приводит к более быстрым скоростям фронта на простых шинах, таких как SPI.

Поиск компромисса

Суть вышеизложенного обсуждения заключается в том, что всегда будет немного колебаний на фронте сигнала, и выброс может быть больше, когда скорость фронта выше. Это можно замедлить с помощью вручную установленного последовательного завершения, но, вероятно, не полностью устранить, используя только последовательный резистор. Вместо этого мы предпочитаем использовать обходной конденсатор как первый шаг к снижению переходных процессов, затем мы могли бы использовать последовательный резистор, но только если шина не имеет спецификации импеданса.

Определение правильного компромисса между демпфированием и согласованием импедансов действительно требует учета запаса шума на приемнике. Если у приемника большой запас по шуму, то, скорее всего, вы можете спроектировать систему с учетом характеристического импеданса, не беспокоясь об овершуте; вы не вызовете непроизвольного переключения или не попадете в неопределенную область для вашей логической семьи. Если запас по шуму узкий, то вам, возможно, придется допустить небольшое несоответствие и снижение передачи мощности от источника, используя более крупный резистор, что приблизит ответную реакцию к критическому демпфированию. Хотя это снижает амплитуду переходных колебаний, это также немного увеличивает время нарастания, что может нарушить время установки и удержания приемника.

Из-за ранее упомянутой проблемы, когда выходной импеданс драйвера может отличаться в состояниях ВКЛ и ВЫКЛ, вы можете критически демпфировать один край импульса, в то время как другой край может показывать некоторое звонение во время переключения. Если нагрузка представляет собой приемник с высоким импедансом Z, который не требует терминирования, то вы даже можете получить отражение, которое производит ступенчатый отклик на одном или обоих краях импульса.

Всегда тестируйте линии передачи в вашем прототипе на целостность сигнала

С различными доступными вариантами окончания в разных приложениях, полезно использовать пакет проектирования печатных плат, который интегрирует ваши инструменты разметки и симуляции в единую платформу. С Altium Designer, вы будете иметь полный контроль над вашим проектом, а ваши инструменты симуляции будут брать данные непосредственно из вашей разметки. Это поможет вам определить подходящее значение резистора последовательного окончания или любые другие компоненты, которые вам могут понадобиться для сети окончания. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен вашими проектами.

Мы только затронули верхушку айсберга возможностей с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.