Как выполнить: Согласование импеданса и терминирование ёмкостных нагрузок

Для тех из вас, кто следит за каналами Altium на Youtube, известно, что целостность сигнала является актуальной темой и вызывает множество вопросов. Недавно я получил интересный вопрос от одного из зрителей, который касался завершения работы с ёмкостными нагрузками:

Я вижу, что есть много отличных видео по согласованию импедансов и проектированию ширины дорожек для соответствия импедансу любого входящего кабеля, но что насчет согласования с ёмкостными нагрузками?

Современные МОП-транзисторы и GaN HEMT уже способны на переключение менее чем за 100 нс на данный момент, и поэтому я чувствую, что согласование с затвором силового устройства станет гораздо более серьезной проблемой в будущем…

Как я объясню ниже, идея чисто ёмкостной нагрузки является некоторым заблуждением. Да, конденсаторы существуют, но все конденсаторы являются неидеальными, и именно это отклонение от теоретической ёмкости определяет, как согласовать импеданс нагрузки, которая проявляет ёмкостное поведение. Давайте рассмотрим этот важный аспект проектирования соединений и узнаем, что на самом деле значит завершить работу с ёмкостной нагрузкой.

Что такое ёмкостная нагрузка?

Очень просто, чисто ёмкостные нагрузки не существуют. Даже банки конденсаторов не являются по-настоящему «ёмкостными» нагрузками, по крайней мере с точки зрения реактивной мощности. В электронике, и в частности на печатных платах, нагрузка, которая кажется ёмкостной, будет таковой только в определённом диапазоне частот, и ёмкость может возникнуть не из-за специально установленных конденсаторов.

Вместо этого, в электронике, когда мы говорим, что нагрузка ёмкостная, мы скорее всего имеем в виду импеданс компонента, или конкретно его входной импеданс. Ёмкостный входной импеданс обычно уменьшается с увеличением частоты и вызывает опережение тока по фазе относительно напряжения. Некоторые примеры включают:

• RC-цепи или некоторые RLC-цепи
• Входы/выходы на интегральных схемах
• Затвор на MOSFET
• Отрезки на линиях передачи, в зависимости от их длины и окончания
• Сети согласования импеданса

Другими словами, элемент аппроксимируется как конденсатор, даже если он не ведёт себя точно так же. Имея это в виду, давайте рассмотрим два основных случая, когда рассматриваются ёмкостный импеданс и завершение: узкополосные аналоговые сигналы и широкополосные цифровые сигналы.

Аналоговые сигналы

Если вы работаете только на определенной частоте или в очень узком диапазоне частот, то вам следует использовать стандартную LC-фильтрующую схему. В частности, обычно используется группа из двух конденсаторов или L-фильтр для определения ключевого момента: действительная часть импеданса нагрузки должна быть больше нуля. Это отражает факт того, что для реальной нагрузки она не будет чисто емкостной.

Для полного согласования импеданса всего соединения следует использовать следующий процесс:

1. Определите необходимую LC-фильтрующую схему для установки эквивалентного импеданса (нагрузка + фильтр) на целевой импеданс. Это легко делается с помощью серийно-параллельного преобразования и решения для значений L и C.
2. Рассчитайте входной импеданс для вашей конкретной линии передачи, как видно на входном конце, используя стандартную формулу.
3. Установите импеданс источника так, чтобы он соответствовал рассчитанному на шаге 2 входному импедансу.

Различные импедансы, используемые для емкостной нагрузки, показаны ниже. Обычно согласующая сеть будет представлять собой сеть L-согласования или пару конденсаторов/индуктивностей в пи-конфигурации с нагрузкой. Разработчик может выбрать функциональность высокочастотного или низкочастотного прохода в согласующей сети и применить анализ схемы для получения Zeq.

Шаг 1 является основополагающим в анализе схем, поэтому я не буду показывать здесь полное объяснение, возможно, я расскажу об этом в другой статье. Отличное руководство можно найти по этой ссылке (начиная с 3 страницы). На шаге 2 целевой (эквивалентный) импеданс, который вы рассчитали на шаге 1, становится нагрузкой, используемой в расчете входного импеданса на шаге 2. Наконец, на шаге 3, вам может потребоваться применить дополнительную согласующую сеть для согласования импеданса источника с входным импедансом (линии + фильтра).

Согласование с входным импедансом линии передачи

Я упоминал выше, что источник может потребовать согласования с входом. Я имею в виду, что если линия немного длиннее, чем предел для электрически короткой линии, и есть некоторое остаточное несоответствие, то входное сопротивление (линии + фильтра) может сильно отличаться от характеристического сопротивления передающей линии. Поэтому вам нужно установить выходное сопротивление источника в соответствии с входным сопротивлением линии на требуемой частоте. Это делается с помощью другой согласующей сети (см. ниже). Это может быть так же просто, как последовательный резистор, хотя в реактивных цепях с передающей линией иногда имеет смысл также использовать LC-цепь для согласования импеданса на требуемой частоте.

Возможно, вы думаете: почему я могу использовать только индуктивности и конденсаторы для согласования с произвольной емкостной нагрузкой, если мне нужно иметь реальное сопротивление нагрузки? Правда в том, что сопротивление нагрузки будет иметь очень маленькую действительную часть. Даже для печатных компонентов или произвольных импедансов, цепь нагрузки всегда будет иметь некоторое паразитное сопротивление где-то в цепи. Оно возникнет на выводах компонентов, дорожках печатной платы и любой другой структуре в компоновке печатной платы, используемой для соединения.

Короткие Линии

Если линия передачи короткая, то все гораздо проще. В этом случае вам не нужна сеть согласования на входе, показанная выше. При короткой линии импеданс источника Zs видит только нагрузку, так что вы можете использовать импеданс источника в качестве целевого импеданса при проектировании блока согласования на выходе. В радиочастотных схемах это не то, что вы обычно видите, есть распространение на другой блок схемы (кабель, передатчик и т.д.), поэтому необходимо учитывать некоторое отклонение входного импеданса.

Логические схемы высокой скорости

Мы не всегда упоминаем об этом, обсуждая логические схемы высокой скорости, но входы в логические схемы CMOS имеют некоторую емкость, которая определяется размерами транзистора и упаковки приемника. Все логические схемы на транзисторах емкостные, как и дорожки, используемые для направления сигнала к входам. Дорожка и упаковка вместе имеют некоторую паразитную емкость, которую необходимо зарядить, чтобы распространяющийся сигнал интерпретировался как желаемое логическое состояние.

Разница между линией передачи и емкостной нагрузкой заключается в том, что линия передачи на самом деле представляет собой сосредоточенную LC-цепь (на самом деле RLC-цепь) с комплексной диэлектрической постоянной. Поэтому её импеданс приблизительно реален. Однако, емкостная нагрузка создает реальные эффекты; типичные значения емкостной нагрузки могут варьироваться от 1 пФ до 100 пФ для современных цифровых компонентов в зависимости от упаковки и технологического узла. Емкостная нагрузка соединена параллельно с высокоимпедансной логической схемой (порядка 1 МОм), поэтому вместе они действуют как RC-цепь, как только они получают входящую волну. Поэтому, мы беспокоимся только о подключении терминации, как если бы все было сделано из резисторов; нас интересуют только частоты до пределов, где начинает доминировать емкостная нагрузка.

Очевидно, это "емкостная" нагрузка. В цифровых схемах мы признаем, что емкостная нагрузка является фактором, ограничивающим полосу пропускания; это становится важным только когда вы переходите в высокие ГГц частоты, что означает, что нас интересует только когда диапазон частот среза для этого входного импеданса перекрывается с значительной частью полосы пропускания цифрового сигнала. Не практично применять широкополосную терминацию в этих схемах для полного подавления отражений. Всегда будет происходить некоторое отражение, когда передвигающийся сигнал достигает нагрузки.

Поэтому отрасль сосредоточилась на таких вещах, как эквализация и схемы многоуровневой сигнализации, чтобы восстановить сигналы и увеличить скорость передачи данных при заданном времени нарастания. В любом случае, элемент завершения может быть присутствующим на кристалле компонента, если не используется специализированная логика. Пример с параллельным завершением показан ниже.

Альтернативой здесь является использование RC-завершения на приемнике, но это менее распространено и потребует внешней пары компонентов. Идея здесь заключается в замедлении времени нарастания, которое обычно ограничивается конструкцией устройства на кристалле (обычно это вход с высоким импедансом). RC-завершение обычно не предпочтительно для этой цели, поскольку лучше замедлить сигнал на драйвере, а не на приемнике. Однако в некоторых случаях у вас может не быть выбора, например, когда драйвер не расположен на вашей печатной плате, и у вас есть только возможность разместить RC-завершение на приемнике.

Вывод следующий: для цифровых интегральных схем нам не обязательно беспокоиться о емкостной нагрузке, поскольку мы пытаемся достичь согласования импеданса на наиболее широкой возможной полосе пропускания, а не на одной конкретной частоте. Это делает основной акцент на физическом проектировании канала, чтобы обеспечить минимальные потери отражения на коротких каналах и минимальные потери вставки на длинных каналах. Если бы нас интересовало согласование только на одной конкретной частоте, мы могли бы потерять большую часть мощности сигнала, и он мог бы быть полностью потерян.

Итог

Просто чтобы подытожить, вот несколько важных выводов:

• Не существует чисто емкостной нагрузки. Даже конденсаторы перестают вести себя как идеальные конденсаторы на достаточно высокой частоте. Реальные нагрузки могут вести себя приблизительно как емкостные.
• Аналоговые сигналы могут быть согласованы по импедансу с емкостной нагрузкой с помощью стандартной LC-фильтрующей схемы.
• В цифровых схемах мы не можем действительно устранить емкостную нагрузку из-за широкополосной природы цифровых сигналов.

После того, как вы определите требования к преобразованию режима дифференциальной пары, вы можете создать геометрию вашей дифференциальной пары и правила трассировки, используя лучшие в отрасли функции размещения печатных плат в Altium Designer. Интегрированный Менеджер Стека Слоёв включает в себя ультраточный решатель поля для расчётов импеданса в стандартных геометриях, и вы можете мгновенно применить результаты как правило дизайна в ваших инструментах трассировки. Когда вы закончите ваш дизайн и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.