Методы терминирования в высокоскоростных и высокочастотных печатных платах

Тема терминирования неизбежно возникает при работе с высокоскоростными цифровыми системами. Большинство цифровых систем имеют по крайней мере один стандартизированный высокоскоростной интерфейс или, возможно, быстрые GPIO, которые генерируют сигналы с быстрым фронтом. Продвинутые системы будут иметь множество стандартизированных интерфейсов, к которым также применяется терминирование, обычно на полупроводниковом кристалле. Если вы определили, что вам действительно нужно терминирование, какой метод следует использовать?

Как оказалось, применение дискретных терминаторов не очень распространено в большинстве цифровых систем, поскольку так много компонентов реализуют стандартизированные шины для цифровой коммуникации. Но если вы работаете с продвинутыми компонентами, имеющими быстрые входы/выходы, тогда вам, возможно, придется вручную применить терминирование с помощью дискретных компонентов. Другой случай, когда это возникает, связан со специализированной логикой, как это иногда используется в некоторых процессорах и FPGA. Наконец, есть вопрос о РЧ-терминировании, которое сильно отличается от терминирования в цифровых системах.

Когда и как применять терминирование

Как было упомянуто выше, существует узкий диапазон случаев, когда терминирование с дискретными компонентами необходимо применять вручную.

• Ваш интерфейс не имеет спецификации импеданса
• Ваши технические описания указывают, что необходима ручная терминировка
• Спецификация вашего интерфейса требует конкретной терминировки (например, DDR, терминирование по Бобу Смиту в Ethernet)

Согласование импеданса в РЧ и цифровых системах несколько отличается. В целом, цель одна и та же: сигнал, отправленный по линии передачи, должен испытывать минимальные потери во время распространения и регистрироваться на правильном уровне напряжения/мощности приемным компонентом. В таблице ниже сравниваются методы терминирования, используемые в цифровых и РЧ системах:

Следующий момент, который необходимо понять, это правильный выбор метода терминирования для вашей конкретной системы. В разделах ниже представлены краткие обзоры и ссылки на ресурсы о различных типах терминирований, которые могут быть использованы в однопроводных, дифференциальных и РЧ соединениях.

Последовательное Терминирование

Этот метод терминирования включает размещение последовательного резистора прямо на выходном контакте драйвера. Технически, линии передачи являются линейными системами, и последовательный резистор может быть установлен в любом месте соединения. Однако предпочтительнее устанавливать последовательный резистор прямо на выходе драйвера, поскольку это обеспечивает наиболее точное масштабирование выходного сигнала и корректное подавление отражений.

• Расчет Резистора Последовательного Терминирования
• Демпфирование и Передача Отражений с Резистором Последовательного Терминирования

Определение значений последовательных резисторов, необходимых для терминирования, может быть сложным, поскольку необходимые данные не всегда присутствуют в техническом описании. Вместо этого их нужно определять из известной хорошей модели IBIS для управляющего контакта или через измерение. Поэтому иногда более предпочтительным является использование параллельного терминирования.

Параллельное Терминирование

Параллельное завершение используется для подавления отражений от приемника, а также для обеспечения получения полного масштаба напряжения входным контактом нагрузки. Поэтому его необходимо размещать прямо на входном контакте компонента нагрузки, а значение резистора устанавливается равным импедансу линии передачи.

• Форма сигнала и объяснение параллельного завершения
• Параллельный терминатор в разветвленных линиях

В некоторых особых случаях параллельное и последовательное завершения могут использоваться вместе на одном соединении, но это нечасто. Это чаще встречается в специализированной логике, где уровень выходного сигнала может потребоваться намеренно снизить до более низкого напряжения, но не обязательно с идеально подобранным последовательным резистором. Другой случай, когда дизайнер пытается подавить отскок земли, устанавливая последовательный резистор для демпфирования, но отражение от нагрузки все еще подавляется с помощью параллельного завершения.

Тевениновское, подтягивающее и переменное завершение

Тевениновское завершение, подтягивающее завершение и переменное завершение - все это типы параллельных завершений, применяемых на входном контакте приемного компонента. По сути, они выполняют ту же функцию, что и простое параллельное завершение с резистором, но с некоторыми дополнительными последствиями.

• Тевенин - регулирует уровень напряжения и получает питание от альтернативного источника напряжения
• Подтяжка - заставляет сигнал переключаться вокруг некоторого конечного уровня напряжения; может использоваться для инверсии логики
• Терминирование переменного тока - ограничивает полосу пропускания канала нижними частотами и выполняет функцию фильтрации

Среди этих трех типов терминирования, Тевенин и подтяжка используются чаще. Вы скорее всего увидите их реализацию на полупроводниковом кристалле, а не с дискретными компонентами. Если они используются с дискретными компонентами, вероятно, это специальный случай логики. Все три типа терминирования можно найти в дифференциальных интерфейсах как часть разделенного терминирования.

Терминирование РЧ

Использование РЧ терминирования в основном включает в себя размещение фильтров на выходе драйвера или на входе приемника/нагрузки таким образом, чтобы выходное сопротивление источника соответствовало целевому сопротивлению. Цепи согласования импеданса РЧ идеально должны иметь нулевое сопротивление, что означает, что они должны использовать только реактивные компоненты. Причина в том, что мы предпочли бы не терять мощность, когда сигнал взаимодействует с сетью согласования импеданса.

Резисторы являются широкополосными терминирующими компонентами, поэтому мы хотим использовать их с широкополосными сигналами, такими как цифровые сигналы. Реактивные сети согласования импеданса обеспечивают согласование импеданса только в определенной полосе пропускания:

• Цепи завершения с реактивными компонентами создают полосы пропускания с высоким или низким Q
• Несколько реактивных компонентов могут быть объединены на разных стадиях для создания фильтров высшего порядка
• Некоторые схемы будут иметь пульсации в своей полосе пропускания, что зависит от топологии сети завершения

Другой метод, который не включает использование дискретных компонентов, - это использование секций линии передачи. Эти секции применяют согласование импеданса только в очень узких полосах высокого Q и лучше всего подходят для гармонических сигналов. Чтобы понять, почему эти моменты важны, прочтите ссылки ниже.

• Проектирование четвертьволнового трансформатора для реальных и реактивных нагрузок
• Симуляция сетевых параметров схемы согласования импеданса
• Как спроектировать усечение трассы РЧ для согласования импеданса

Выше нескольких ГГц завершение с использованием дискретных компонентов не будет функционировать как задумано из-за наличия паразитных элементов. Вот почему компоненты, работающие на многих ГГц, часто размещают элементы согласования импеданса непосредственно на полупроводниковом кристалле, так что выходные контакты будут напрямую согласованы с 50 Ом. До нескольких ГГц размещение и значения, используемые в дискретных компонентах, необходимо симулировать и измерять.

Независимо от того, какой тип согласования импеданса или метод завершения вам нужен для проектирования, вы можете создавать схемы и разрабатывать печатные платы с лучшими в отрасли функциями проектирования электроники в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365^™ для удобного 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 сегодня.