Tính toán điện trở kết thúc dãy

Với các đường truyền, một số vấn đề dường như không bao giờ đơn giản. Việc xác định kỹ thuật kết thúc và giá trị của các thành phần trong mạng lưới kết thúc không nên là một nhiệm vụ khó khăn. Hầu hết các chương trình thiết kế PCB buộc bạn phải tìm kiếm máy tính trực tuyến, hoặc bạn sẽ phải thực hiện các phép tính bằng tay. Thay vào đó, phần mềm thiết kế của bạn nên làm cho việc kiểm tra một loạt giá trị thành phần trong mạng lưới kết thúc của bạn trở nên dễ dàng.

Một số thành phần, đường dẫn, cặp vi sai và các kết nối đi qua vias nên được khớp trở kháng để ngăn chặn hiệu ứng đường truyền phát sinh trong các mạch tốc độ cao hoặc tần số cao. Mặc dù bạn có thể chấp nhận được một số sự không khớp trở kháng nhỏ, một số trình điều khiển tín hiệu sẽ có một trở kháng không khớp với giá trị 50 Ohm thường được sử dụng với các đường dẫn tín hiệu. Cần lưu ý rằng một số tiêu chuẩn về định tuyến và kiến trúc máy tính (tức là PCIe Gen 2 và Gen 3) cũng sử dụng một giá trị khác cho trở kháng cặp vi sai.

Nếu bạn đã xác định rằng đường dẫn của bạn sẽ bắt đầu thể hiện hiệu ứng đường truyền. Trong bài viết này, tôi sẽ chỉ cách sử dụng các công cụ tính toán tín hiệu trong Altium Designer^® để xác định giá trị chính xác cho một điện trở nối tiếp.

Mạng lưới kết thúc nào tôi nên sử dụng?

Có một số câu trả lời cho câu hỏi này vì có nhiều mạng lưới khả dĩ hoặc các thiết bị chấm dứt tín hiệu. Đối với tín hiệu số, chúng tôi ưa thích sử dụng chấm dứt tín hiệu bằng điện trở vì điện trở là thành phần băng thông rộng. Chúng có thể được sử dụng để chấm dứt tín hiệu ở các băng thông rất cao khi được đặt trực tiếp trên chân điều khiển của một IC. Ngược lại, một đầu ra RF hoặc một ăng-ten sẽ ưa thích mạng lưới LC vì chúng tôi không muốn có sự mất mát công suất do điện trở, và vị trí chính xác của cuộn cảm và tụ điện (dù là nối tiếp hay làm thành phần shunt) phụ thuộc vào cách bạn cần dịch chuyển trở kháng để phù hợp với tần số cộng hưởng.

Về chấm dứt tín hiệu bằng điện trở, hai phương pháp phổ biến được sử dụng là chấm dứt tín hiệu nối tiếp (đặt tại chân điều khiển) và chấm dứt tín hiệu song song (đặt tại bộ nhận đến GND). Có hai điều quan trọng cần nhớ về ảnh hưởng của chấm dứt tín hiệu nối tiếp:

Một số lý do để sử dụng điện trở kết thúc loạt tại bộ điều khiển bao gồm:

1. Nếu đường dây đủ dài đến mức bạn mong đợi sự phản xạ từ một tải không kết thúc, cần có giữa một trình điều khiển không kết thúc và đường dẫn, và trở kháng của trình điều khiển tín hiệu nhỏ hơn trở kháng đường dẫn của bạn
2. Bạn muốn tăng cường độ giảm xóc tại đầu ra để giúp giảm thiểu sự nảy sóng trên mặt đất, NEXT, SSN, hoặc dao động trên một đường dây rất ngắn
3. Nếu tín hiệu được tạo ra bởi trình điều khiển cần được làm chậm lại, có thể được sử dụng trong một giao diện nhanh được khởi tạo trong một FPGA hoặc khi các tín hiệu được tạo ra là tín hiệu điều khiển không cung cấp một dòng dữ liệu liên tục

Trong điểm #1, bạn có thể đặt một điện trở nối tiếp tại đầu ra của trình điều khiển của bạn, nhưng điều này rất hiếm trừ khi một bus số đơn kết thúc tiêu chuẩn (như SPI) được định tuyến qua một khoảng cách rất dài và có thời gian tăng thấp. Điểm #1 cũng có thể được sử dụng trong trường hợp các thành phần RF chuyên biệt được sử dụng, và những thành phần này không có chấm dứt trên chíp. Điểm #2 phổ biến hơn, đặc biệt khi tín hiệu được cung cấp bởi một bộ xử lý hiện đại như MCU, FPGA, hoặc MPU.

Nếu bạn xác định rằng bạn cần sử dụng điện trở kết thúc dãy, chẳng hạn dựa trên tính toán chiều dài quan trọng, gói điện trở nên là gói nhỏ nhất mà bạn dự định lắp ráp trên bảng mạch và đơn giản nhất là đặt nó ngay tại chân xuất của bộ điều khiển. Để xác định điện trở kết thúc dãy, bạn cần biết trở kháng nguồn đã có sẵn, hoặc bạn cần có mô hình mô phỏng cho bộ đệm xuất của bộ điều khiển (như IBIS). Nếu bạn biết trở kháng xuất của nguồn, thì yêu cầu trở kháng kết thúc dãy là:

Đây là cách thực hiện trong mô phỏng nếu bạn biết gia đình logic hoặc bạn có mô hình IBIS cho chân xuất của bộ điều khiển.

Xác định Điện Trở Kết Thúc Dãy

Phương pháp phổ biến để xác định điện trở kết thúc dãy từ mô phỏng là lặp qua một loạt các giá trị điện trở dãy. Khi bạn chạy mô phỏng, bạn sẽ thấy một đồ thị hiển thị cách mỗi giá trị linh kiện trong mạng ảnh hưởng đến tín hiệu của bạn. Điều này cho phép bạn xác định trực quan giá trị linh kiện tốt nhất để sử dụng trong mạng kết thúc của bạn.

• Tìm hiểu thêm về cách kết thúc dãy ảnh hưởng đến mức điện áp

Quy trình dưới đây áp dụng cho cả tín hiệu vi sai và tín hiệu đơn cuối không thuộc về giao diện tiêu chuẩn. Hãy nhớ, một tín hiệu vi sai có thể được xem như hai tín hiệu đơn cuối riêng biệt mỗi tín hiệu với trở kháng lẻ được xác định, vì vậy phương pháp kết thúc chuỗi được hiển thị dưới đây áp dụng cho một đường truyền trong cặp vi sai cũng như lâu dài miễn là bạn tính đến sự lệch nhỏ giữa trở kháng lẻ và trở kháng đơn cuối.

Cài Đặt Công Cụ Tính Toán Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu

Sau khi bạn chụp sơ đồ của mình và bố trí bảng mạch, bạn đã sẵn sàng để xác định điện trở kết thúc phù hợp cho các đường truyền của mình. Khi bạn đã chuẩn bị xong bảng mạch, bạn có thể truy cập công cụ tính toán tính toàn vẹn tín hiệu trong Altium Designer từ menu Công cụ -> Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu…

Truy cập công cụ Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu trong Altium Designer

Công cụ Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu cần được thiết lập bằng cách chọn gia đình logic cho các chân trên bộ điều khiển và bộ nhận, hoặc bằng cách thêm các mô hình IBIS vào thành phần. Bạn cũng có thể chỉnh sửa kích thích tín hiệu được sử dụng trong hộp thoại Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu.

Sau khi bạn mở công cụ Tính toán Tính toàn vẹn Tín hiệu, bạn sẽ thấy hộp thoại Tính toán Tính toàn vẹn Tín hiệu như hình dưới đây. Tại đây, bạn cần chọn các mạch tín hiệu mà bạn muốn kiểm tra. Bạn có thể nhấp đúp vào các mạch tín hiệu mà bạn muốn kiểm tra, và chúng sẽ được thêm vào bảng ở phía bên phải của hộp thoại.

Chọn mạch và mạng kết thúc cho mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu của bạn

Bạn cũng sẽ thấy một danh sách các mạng kết thúc. Trong ví dụ sau, chúng tôi sẽ kiểm tra hai vết dẫn đơn cuối (NC1 và NC2). Lưu ý rằng bạn có thể thay đổi số lần quét, cũng như các tham số trong mạng kết thúc. Bạn cũng có thể kiểm tra một trong các cặp vi sai (ví dụ, NC3_P và NC3_N) bằng cách sử dụng các bước được trình bày ở đây.

Kết quả Đơn Cuối

Chúng ta sẽ xem xét mạng kết thúc loạt, cũng như mạng kết thúc “Điện trở Song song & Tụ đến GND”. Lưu ý rằng bạn có thể chọn giá trị tối đa và tối thiểu cho lần quét của mình, cũng như điện áp VCC của bạn.

Ở đây, bạn có thể chỉnh sửa giá trị của các điện trở kết thúc trong mạng khớp của mình

Sau khi bạn đã thiết lập mô phỏng, nhấn vào nút “Hình sóng Phản xạ…” để bắt đầu mô phỏng. Altium Designer sẽ lặp qua các giá trị điện trở khác nhau và tạo ra một loạt biểu đồ. Kết quả cho các mạch NC1 và NC2 được hiển thị trong hình dưới đây.

Kết quả phản xạ tín hiệu cho các mạng khớp khác nhau

Từ kết quả trên, chúng ta có thể thấy rằng điện trở khớp loạt (hai biểu đồ trên cùng) và sự kết hợp của các điện trở với VCC và mặt đất thực sự không phải là lựa chọn tốt nhất cho bảng mạch này. Cả hai kết quả đều giúp giảm bớt hiện tượng rung một phần nào, nhưng chúng ta cũng cần phải bù cho thời gian tăng chậm. Do đó, chúng ta nên thử một mạng khác và lặp lại quá trình.

Tại đây, chúng ta có thể quay lại và chọn mạng “Parallel Res & Cap to GND” và kiểm tra xem mạng này ảnh hưởng như thế nào đến các tín hiệu trong mạch NC1 và NC2. Kết quả cho mạng này được hiển thị bên dưới. Để xem giá trị cho từng thành phần trong mạng, chỉ cần nhấp vào một trong những nhãn trong chú thích ở phía bên phải của biểu đồ. Trong bảng mạch này, hóa ra mạng dẫn tối ưu sử dụng một điện trở 56.67 Ohm và một tụ điện 83.33 pF (tín hiệu màu đỏ ở biểu đồ dưới cùng).

Kết quả phản xạ tín hiệu cho mạng điện trở/tụ điện

Quy trình cho Cặp Điện Áp Đối Xứng

Để xem xét một cặp điện áp đối xứng, bạn có thể quay lại hộp thoại Tính Toán Tín Hiệu và xem xét từng dấu vết trong cặp điện áp đối xứng. Nếu chúng ta xem xét công thức kết thúc chuỗi được hiển thị ở trên, chúng ta phải nhớ rằng trở kháng đối xứng được định nghĩa dựa trên trở kháng chế độ lẻ của nó; đó là giá trị được sử dụng cho việc kết thúc điện trở chuỗi. Bởi vì trở kháng đặc trưng của một dấu vết trong cặp điện áp đối xứng luôn lớn hơn trở kháng chế độ lẻ, chúng ta có thể viết mối quan hệ sau:

Dựa trên sự lệch này, giá trị điện trở mắc nối tiếp cần thiết cho một đường dẫn trong cặp vi sai sẽ thấp hơn một chút so với giá trị điện trở mắc nối tiếp được xác định bởi công cụ tính toán tính toàn vẹn tín hiệu:

Đi xa hơn với Định tuyến Kiểm soát Trở kháng

Không nghi ngờ gì nữa, lựa chọn tốt nhất của bạn là sử dụng định tuyến kiểm soát trở kháng để bạn có thể đảm bảo các đường dẫn của mình sẽ có giá trị trở kháng nhất quán trên toàn bảng mạch. Lý tưởng nhất, điều này sẽ giúp tránh việc phải áp dụng mạng lưới kết thúc cho mỗi đường dẫn trên bảng mạch của bạn, tiết kiệm cho bạn một lượng đáng kể thời gian thiết kế.

Xác định mạng lưới kết thúc phù hợp để sử dụng trong PCB của bạn trở nên dễ dàng hơn khi bạn làm việc với gói thiết kế PCB bao gồm công cụ thiết kế và mô phỏng nguồn điện. Với Altium Designer, bạn sẽ kiểm soát hoàn toàn bố cục và thiết kế lớp của mình, và công cụ mô phỏng của bạn sẽ lấy dữ liệu trực tiếp từ bố cục của bạn. Những công cụ này có thể được điều chỉnh trực tiếp cho hệ thống cứng-linh hoạt và đa bảng mạch.

Tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer để xem các công cụ tính toán tính toàn vẹn tín hiệu mạnh mẽ có thể giúp bạn như thế nào. Bạn sẽ có quyền truy cập vào các tính năng thiết kế tốt nhất mà ngành công nghiệp yêu cầu trong một chương trình duy nhất. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.