Как нагрузочная емкость на линии передачи влияет на ваши сигналы

Если вы когда-либо читали о линиях передачи и спецификациях интегральных схем, то наверняка сталкивались с таким кажущимся загадочным параметром, как емкость нагрузки. Это значение зависит от геометрии вывода компонента, подключенного к линии передачи, а также от материала подложки и расстояния до опорной плоскости на кристалле интегральной схемы. При работе с линиями передачи емкость нагрузки компонента оказывает важное влияние на поведение сигнала, наблюдаемое на приемнике, и важно понимать, как вы можете влиять на емкость нагрузки в вашей печатной плате.

Когда вам нужно анализировать поведение сигнала на линии передачи для данного компонента нагрузки, емкость нагрузки будет влиять на S-параметры и функцию передачи линии передачи, поэтому ее необходимо учитывать при анализе сигналов высокой скорости/высокой частоты. Кроме того, реальное входное сопротивление на нагрузке определяется емкостью нагрузки на достаточно высоких частотах. Вот как вы можете лучше понять вашу емкость нагрузки и определить, как она влияет на сигналы в линии передачи на вашей печатной плате.

Что такое емкость нагрузки?

Нагрузочная емкость на интегральной схеме является паразитным элементом между входным выводом и ближайшей опорной плоскостью. Другими словами, входная площадка, соединенная с компонентом и линией передачи, будет видеть шунтирующую емкость к общему земляному уровню (предполагая, что линия передачи и ИС используют одну и ту же земляную плоскость).

Это происходит потому, что площадка, соединенная с линией передачи, поднимается до некоторого напряжения, когда сигнал достигает приемника, но она отделена от земляной плоскости подложкой ПП и кристаллом интегральной схемы. Заметьте, что индуктивность вывода-корпуса на данный момент опущена, которая располагалась бы как последовательный элемент между линией передачи и площадкой. Паразитная емкость между площадкой/земляной плоскостью параллельно с выводом/земляной плоскостью кристалла дает общую нагрузочную емкость. Это показано на схеме ниже:

Для вышеупомянутого случая дифференциального канала применяемое завершение показано как простой параллельный резистор, чтобы упростить картину, связанную с дифференциальными сигналами. Однако, реальные схемы завершения, применяемые для дифференциального приемника, могут быть более сложными, как я обсуждал в этой статье, и они предназначены для сохранения смещения при согласовании с индивидуальными линиями передачи в канале, а не для согласования с дифференциальным импедансом.

Завершение

В приведенном выше примере естественным решением проблемы несоответствия импеданса является применение завершения. Рассмотрим шунтирующее завершение на характеристическом импедансе (либо интегрированное в ИС, либо примененное с внешним резистором). На низких частотах импеданс нагрузки кажется равным завершенному импедансу. Однако на высоких частотах импеданс нагрузки кажется полностью обусловленным емкостью нагрузки. Важный вывод здесь: вы можете согласовать импеданс только в ограниченной полосе пропускания из-за емкости нагрузки.

Емкость на конце источника

Можно было бы справедливо задать вопрос, а что насчет емкости на стороне источника передающей линии? Действительно, существует некоторая емкость источника, которая определяет выходное сопротивление драйвера из-за наличия площадки. Это обычно игнорируется при моделировании, потому что сигнал, который исходит из системы (драйвер + передающая линия), измеряется только вне драйвера. Поэтому мы, по сути, не беспокоимся о том, как сигнал попал туда, а только о том, что мы можем измерить, что это за сигнал. Нам нужно беспокоиться только о входном сопротивлении системы (передающая линия + нагрузка).

Функция передачи с сопротивлением нагрузки

Любой сигнал, запущенный в передающую линию, будет подвержен влиянию емкости нагрузки. Это затем количественно определяется с помощью функции передачи. Интуитивно, если вы посмотрите на диаграмму выше, емкость действует как шунтирующий элемент к земле для высокочастотных компонентов сигнала. Таким образом, передающая линия, подключенная к реальной интегральной схеме, действует как фильтр нижних частот, даже прежде чем сигнал достигнет нагрузки!

Интуиция это хорошо, но как мы можем это количественно оценить? К счастью, вы можете исследовать частотную характеристику линии передачи с помощью передаточной функции. Это покажет вам, как в области Лапласа, так и в частотной области, влияют импеданс нагрузки и характеристический импеданс линии передачи на сигнал в частотной области. Затем вы можете перейти обратно во временную область с помощью преобразования Фурье, чтобы сравнить исходный сигнал запуска и сигнал, полученный на нагрузке.

Для этого, самым простым способом будет использование параметров ABCD для линии передачи. Они связаны с S-параметрами (потери на вставке и потери на возврате) для однопроводной линии. Матрица ABCD для однопроводной линии определяется в терминах характеристического импеданса линии и имеет аналогичное значение, как и S-параметры:

Теперь вставьте эти значения в следующую общую формулу для передаточной функции двухпортовой сети с определенными импедансами источника и нагрузки (обратите внимание, что импеданс нагрузки показан выше):

Если мы предположим, что источник согласован с линией передачи, у нас есть следующая передаточная функция для линии передачи. Я написал это в области Лапласа на данный момент:

Обратите внимание, что очень похожее уравнение представлено в литературе по проектированию интегральных схем для электрически длинной линии (т.е. длиннее критической длины). Это уравнение точно говорит вам, как сигнал влияет на импеданс передающей линии и емкость нагрузки. Обратите внимание, что, в общем случае, величины в этом уравнении комплексные (включая постоянную распространения) и применимы в случае, когда линия имеет любой уровень потерь.

Для использования этого уравнения в анализе, вам нужно включить все возможные эффекты, которые могут создавать искажения и потери в системе. К ним относятся:

• Дисперсия и потери в диэлектрике
• Шероховатость меди
• Потери на скин-эффект, связанные с шероховатостью меди

Смотрите эту статью, чтобы узнать больше об этих источниках искажений и потерь в ваших передающих линиях и как моделировать их аналитически.

Анализ влияния емкости нагрузки

Использование передаточной функции значительно упрощает анализ влияния емкости нагрузки на линию передачи и любые распространяющиеся сигналы. Это лучше всего подводится итог в графике. Ниже представлен график величины и фазы передаточной функции для линии передачи на FR4 (10 см стриплайн, толщина между плоскостями 0,48 мм / ширина 0,198 мм, без дисперсии, Dk = 4.4, тангенс угла потерь = 0.02) с характеристическим сопротивлением 50 Ом с параллельным завершением. На верхнем графике четко видно поведение низкочастотного фильтра до 1-10 ГГц.

Из этого графика мы видим, что с уменьшением емкости нагрузки низкочастотный спад не происходит до достижения более высоких частот. Мы можем получить несколько дополнительных ГГц запаса просто используя компонент с меньшей емкостью нагрузки. Искажения на средних частотах (ниже первого инверсии фазы) меньше, поскольку кривая фазы более плоская до ~10 ГГц. Оба графика должны иллюстрировать сложность согласования импеданса на высоких частотах в полосе пропускания сигнала. Здесь мы даже не включили в расчеты шероховатость меди, эффекты волоконной оплетки или скин-эффект.

При работе с проектами высокой скорости/высокой частоты, вы можете контролировать только паразитную емкостную нагрузку, наблюдаемую на линии передачи со стороны печатной платы (PCB). Интегральная схема, которую вы выбираете, будет иметь определенную входную емкость, которую изменить нельзя. Однако, есть 3 рычага, которые вы можете использовать для контроля общей емкостной нагрузки, видимой линией передачи:

• Толщина ламината поверхностного слоя. Паразитный вклад PCB в емкостную нагрузку пропорционален толщине слоя, поэтому использование более тонкого ламината для поверхностного слоя с соседней земляной плоскостью помогает сдвинуть частоту среза на немного более высокие частоты.
• Диэлектрическая постоянная ламината.Вклад PCB в общую емкостную нагрузку пропорционален значению Dk ламината, поэтому использование ламината с низким Dk для поверхностного слоя обеспечивает меньшую общую емкостную нагрузку.
• Компоненты. Компонент с меньшим размером выводов будет иметь меньшую емкостную нагрузку. Имейте это в виду при выборе компонентов, если вам необходимо сохранить целостность сигнала на очень высоких частотах (~десятки ГГц).

Короткие линии передачи? Используйте симулятор схем

Когда линия электрически короткая, нам не нужно применять подход с бегущей волной, и мы можем использовать теорию цепей для описания линии передачи. Это фактически формирует несогласованную сеть Пи, которая также демонстрирует поведение низкочастотного фильтра на высоких частотах. Разница здесь в том, что могут возникать резонансы и переходные процессы, как вы могли бы видеть в стандартной RLC-цепи. Чтобы исследовать этот тип системы, вы можете использовать инструменты моделирования цепей в программном обеспечении для проектирования схем, чтобы понять поведение сигналов и спроектировать поведение сигналов так, чтобы оно было критически затухающим.

Время нарастания на нагрузке для однопроводных, не контролируемых по импедансу линий

На шине, такой как SPI, или с эквивалентным форматом сигнализации через GPIO с двухтактным управлением, время нарастания на электрически короткой шине будет зависеть от емкости нагрузки. Например, если вы посмотрите данные о времени нарастания драйвера SPI, время нарастания будет зависеть от емкости нагрузки. Эти данные могут быть доступны в технических описаниях компонента управления, а емкость входного пина должна быть доступна для вашего компонента нагрузки.

Пример таблицы данных для сигнализации XTAL с ADUC847 показан ниже. В таблице данных указано типичное время нарастания 9 нс для емкости нагрузки 80 пФ (отмечено красными рамками). Похожие примеры для шин SPI/QSPI можно найти и для других компонентов, таких как DSP ASIC, АЦП, МКУ и множество других цифровых/смешанных сигнальных компонентов.

В приведенном выше примере компонента есть логические интерфейсы, которые могут использоваться с различными возможными временами нарастания цифрового сигнала. Фактически, если вы посмотрите на страницу 91 в техническом описании ADUC847, вы увидите следующую рекомендацию от производителя:

Если пользователь планирует подключать быстрые логические сигналы (время нарастания/спада добавьте последовательный резистор к каждой соответствующей линии, чтобы время нарастания и спада на входных контактах устройства было более 5 нс.

В случае, если вы не были уверены, важно осознать, что они конкретно говорят вам об одной из основных функций резистора последовательного подключения: замедлении скорости фронта сигнала. Это может использоваться для контроля демпфирования на коротких линиях передачи, которые имеют избыточные недемпфированные колебания (из-за отскока земли и малой ёмкости нагрузки), а также для согласования сопротивления завершения.

• Узнайте больше о использовании резисторов последовательного подключения для демпфирования и согласования импеданса

Какую схему использовать для симуляции короткой шины?

Чтобы полноценно учесть ёмкость нагрузки в симуляции с буфером ввода/вывода, вам понадобится несколько компонентов в вашей схеме:

• Простая схема буфера, включающая паразитные характеристики FET
• Значение ёмкости нагрузки
• Значение ёмкости байпасного конденсатора
• Общая индуктивность линии
• Ёмкость линии
• Значения индуктивности для любых переходных отверстий, соединяющих сети питания, земли и конденсатора

Пример схемы показан ниже. Это тип схемы, который использовался бы для симуляции отскока земли. Важно понимать, что емкость нагрузки будет влиять на характеристики сигнала, измеренные в этом примере, и она определит любое последовательное согласование, которое вам может потребоваться применить на этих коротких линиях для согласования импеданса и одновременного демпфирования сигнала.

Приведенный выше пример будет реализован в ваших схемах и выполнен с помощью SPICE. Вам не нужны сложные модели SPICE для вашего компонента драйвера, вам нужны только достаточно точные модели SPICE для FET, используемых в буферной схеме. Альтернативой является указание используемого в вашем компоненте семейства логики в 2D симуляции BEM/MoM. Пример можно найти в другом месте на блоге.

• Посмотреть симуляцию последовательного резистора для однопроводной линии передачи

Всякий раз, когда вам нужно моделировать поведение линии передачи на этапе предварительного проектирования или симулировать поведение сигнала после размещения, вы можете использовать полный набор инструментов CAD в Altium Designer. Интегрированный решатель ЭМ поля в Altium Designer и симулятор целостности сигнала позволяют вам изучить, как емкостная нагрузка стандартных логических семейств влияет на поведение сигнала на линиях с контролируемым импедансом в вашей печатной плате. У вас будет полный набор функций симуляции для вашей следующей платы.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции в электронной промышленности, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.