Понимание отражений сигналов для высокоскоростного проектирования

Введение

Отражения сигналов и инженерные аспекты согласования импедансов являются одной из основных тем, связанных с проектированием высокоскоростных цифровых систем. В случае цифровой системы с высокой скоростью передачи битов, когда информация о состоянии битов "0" и "1" передается в виде прямоугольного сигнала, предполагается, что время нарастания (или спада) переднего и заднего фронтов сигнала незначительно по сравнению с частотой двоичного сигнала. На практике цифровой сигнал никогда не нарастает и не спадает мгновенно. Время нарастания (и спада) определяется параметрами пути сигнала, включая параметры передатчика, приемника и физические характеристики линии передачи.

В случае высокоскоростных систем время нарастания и спада может быть короче 1 нс. Частота двоичного сигнала в цифровых системах может достигать нескольких ГГц, и для поддержания относительно прямоугольной формы передний и задний фронты должны составлять лишь долю длительности бита.

Скорость распространения электромагнитных волн (распространение напряжения и тока по линии передачи) зависит от нескольких факторов, включая тип линии передачи и тип подложки. Например: для подложки FR4 и микрополосковых линий передачи скорость распространения составляет примерно 160Мм/с (мегаметров в секунду) или 525Мфт/с (мегафутов в секунду). Если время нарастания (или спада) фронта, например, 200пс, то нарастающий (или спадающий) фронт будет перемещаться по линии передачи на 32мм или 1,25 дюйма во время нарастания или спада.

Сохранение формы сигнала зависит от того, поддерживает ли линия передачи на печатной плате, на протяжении длины, сопоставимой с расстоянием, пройденным фронтом (или спадом) сигнала, непрерывность импеданса и правильное завершение на стороне приемника. В случае очень коротких соединений или медленного нарастания (спада) времени цифрового сигнала, явления отражений, описанные здесь, могут быть не заметны и могут быть пропущены. Как правило, можно предположить, что если расстояние, пройденное фронтом сигнала (т.е. произведение времени распространения и скорости распространения), составляет более 10% длины передачи, следует уделить внимание правильному согласованию выходов, входов и линии передачи - этот процесс называется согласованием импеданса и включает в себя проектирование дорожек на печатной плате, а также согласующие сети, составленные из резисторов.

Согласование импеданса и резистивное согласование

Отношение, определяющее условие согласования импеданса, хорошо известно. Если выходной импеданс передатчика является комплексно-сопряженным импедансу приемника и путь, соединяющий передатчик и приемник, имеет сопротивление, равное действительной части импеданса передатчика и приемника, то путь сигнала согласован. На практике в цифровых системах согласование не выполняется путем реализации сети согласования импеданса с комплексно-сопряженным импедансом для пути передатчика или приемника (это потребует добавления к линиям сигнала индукторов и конденсаторов для компенсации любых мнимых компонентов импеданса. Кроме того, такой тип согласования обычно узкополосный, поэтому он не имеет практического применения в цифровых системах).

Обычной практикой является согласование только резистивной части передающих и приемных ИС и создание чисто резистивного характеристического импеданса линии передачи. В этом случае для обеспечения необходимого согласования требуются только резисторы, например, последовательный резистор на выходе драйвера является одним из возможных решений для согласования передатчика с линией передачи. На приемнике можно использовать параллельный резистор к земле (или для дифференциальной пары - резистор между дорожками, формирующими дифференциальную пару). Некоторые примеры, связанные с топологиями терминирования приемника, показаны на рисунке 1, взятом из инструмента Signal Integrity, доступного в Altium Designer.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Рисунок 1: Топологии терминирования, доступные в инструменте Signal Integrity в Altium Designer

Примеры отражений сигналов в цифровой системе

В этой главе обсуждаются примеры согласования сигналов с волновыми формами отражений, которые будут основаны на системе 50 Ом - системе, обычной для радиочастотных конструкций, однако отношения, представленные в этом разделе, также применимы к цифровым системам, использующим другие профили импеданса, а также для сигналов, передаваемых с помощью дифференциальных пар - обычное явление для высокоскоростных цифровых систем, например, USB3.0 или PCIe. Представленные рассмотрения исключают влияние мнимой части импеданса передатчика, приемника. Линия передачи разработана с использованием профиля импеданса (установленного в 50 Ом), определенного в Altium Designer. В этом случае условие согласования принимает форму, определенную уравнением 1, в котором каждое сопротивление имеет значение 50 Ом.

Для целей симуляции использовалась модель IBIS чипа LMK00334RTVR. Резисторы, использованные для согласующих компонентов для этого чипа, достаточно близки к 50 Ом - было доказано, что система хорошо согласована с помощью симуляции, когда использовались сопротивления 50 Ом. Обратите внимание, что LMK00334RTVR может требовать различных значений для терминирования входов и выходов.

Ro=Ri=Rt=50Ом (уравнение 1)

Где:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

• Ro - выходное сопротивление передатчика,
• Ri - входное сопротивление приемника,
• Rt - характеристическое сопротивление линии передачи.

Случай согласованной системы, одиночное импульсное возбуждение

В случае правильного проектирования согласования, сопротивления в сети согласования определяются уравнением 1. Схема такой системы показана на рисунке 2, а результаты моделирования представлены на рисунке 3. В системе вдоль линии передачи нет отражения сигнала. Сигнал отправляется с вывода U29 U1, проходит через последовательный согласующий резистор (R5) и полностью поглощается нагрузочным резистором (R4) на другом конце линии. Вся энергия была поглощена R4, и, следовательно, отражения не произошло - виден только исходный импульс.

Рисунок 2: Схема установки, использованная для моделирования

Рисунок 3: Моделирование одиночного импульса в полностью согласованной цепи

Отражения в системе для одиночного импульсного возбуждения. Случай синфазного отражения

Если сопротивления, заданные уравнением 1, не одинаковы, в системе возникают отражения. Пример отражения сигнала представлен на рисунке 4, где шунтирующее сопротивление приемника было увеличено с 50Ω до 10кΩ (см. рисунок 2, резистор R4), а сопротивление передатчика (R5) было снижено до 1Ω. В этом случае импульс, отправленный передатчиком, не был поглощен R4 на стороне приемника. Сигнал отразился и вернулся на вход передатчика примерно через 1.6нс. Зная время распространения и скорость, можно рассчитать расстояние от передатчика сигнала до места, где произошло несоответствие импеданса, учитывая, что импульс проходит это расстояние дважды. Altium Designer предоставляет значение времени распространения для данной цепи - см. рисунок 5. Время распространения для этой конкретной цепи было рассчитано Altium Designer и составляет 807пс. Для обратного пути это примерно 1.6нс.

Рисунок 4: Случай отражения одиночного импульса

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Рисунок 5: Задержка распространения в линии передачи, рассчитанная Altium Designer

Отражения в системе для одиночного импульсного возбуждения. Случай отражения в противофазе

В данном случае сопротивления согласующей сети были установлены следующим образом: Ro=R5=50Ω. Также Ri=R4 было установлено в 100мОм (может рассматриваться как короткое замыкание по сравнению с 50Ω). Если линия передачи на другом конце завершена сопротивлением, которое ниже сопротивления источника и линии передачи, тогда сигнал отражается на 180 градусов в противофазе. Это отражение приводит к появлению отрицательного напряжения в линии передачи - см. рисунок 6. Это отрицательное напряжение может привести к проведению защитных диодов выводов интегральной схемы или даже повредить чип.

Рисунок 6: Отрицательные и положительные отражения в линии передачи

Отражения, вызванные неоднородным профилем импеданса линии передачи, одиночное импульсное возбуждение

В данном случае передатчик и приемник согласованы (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), в то время как линия передачи спроектирована так, чтобы иметь неоднородное характеристическое сопротивление по всей ее длине - см. рисунок 7. Это приводит к отражениям, вызванным неоднородным сопротивлением вдоль линии. Результаты моделирования для этого случая, выполненные в инструменте SI