Chúng Ta Có Thể Ngừng Trích Dẫn Quy Tắc Chiều Dài Quan Trọng Không?

Có một quy tắc thiết kế PCB tốc độ cao đã được truyền đạt quá mức và hiểu lầm kể từ khi nó được đưa ra: quy tắc chiều dài quan trọng của đường truyền tín hiệu. Quy tắc này còn được biết đến với tên gọi quy tắc 25% thời gian tăng. Cơ bản, quy tắc này nêu ra các điều kiện mà bạn không cần phải tính toán trở kháng đường dẫn bằng cách nói rằng: nếu chiều dài của một đường dẫn nhỏ hơn 25% khoảng cách mà tín hiệu số di chuyển, thì trở kháng đường dẫn không quan trọng.

Quy tắc này được trích dẫn quá thường xuyên bởi các nhà thiết kế mới đến mức bạn sẽ thấy nhiều người tự xưng là chuyên gia chỉ vì đã nhắc lại nó. Vấn đề chính ở đây là sự thiếu hụt thông tin ngữ cảnh nghiêm trọng. Tôi đã thấy các nhà thiết kế trích dẫn rằng chiều dài quan trọng là 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/8, 1/10, 1/12 và 1/20 khoảng cách di chuyển trong thời gian tăng. Thật không may, người ta phải nhận ra rằng:

Tất cả các giá trị trên đều mâu thuẫn với nhau, và quy tắc chỉ nên được sử dụng trong một tình huống cụ thể.

Nếu một quy tắc thiết kế có 9 giá trị khả dĩ khác nhau mà ai đó có thể tuân theo, thì có lẽ đó là một quy tắc thiết kế vô dụng. Nếu bạn đang sử dụng quy tắc này, bạn chỉ đang đoán mò. Do đó, tôi cảm thấy thoải mái khi tuyên bố rằng khái niệm này không bao giờ nên được sử dụng làm quy tắc thiết kế, và tôi sẽ trình bày lý do dưới đây.

Tại sao Các Nhà Thiết Kế Sử Dụng Quy Tắc Chiều Dài Quan Trọng

Lý do phổ biến nhất mà một nhà thiết kế sẽ trích dẫn quy tắc thiết kế này là vì họ muốn một lý do để tránh tính toán trở kháng cho một bus có thông số trở kháng. Tại thời điểm này trong lịch sử công nghệ, khi có hàng trăm máy tính trực tuyến miễn phí, và với phần mềm thiết kế PCB bao gồm máy tính trở kháng, cách tiếp cận này chỉ là sự lười biếng. Việc tính toán trở kháng chưa bao giờ dễ dàng đến thế, vì vậy bất kỳ nhà thiết kế nào muốn trở thành chuyên nghiệp đều không có lý do gì để tránh việc này.

Lý do một người có khả năng định nghĩa một chiều dài quan trọng liên quan đến trở kháng đầu vào khi nhìn vào một đường truyền. Khi một thành phần số phát ra một tín hiệu, tín hiệu đó nhìn thấy một trở kháng đầu vào khi nó đi vào đường truyền, và trở kháng đầu vào phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Khoảng cách giữa nguồn và tải
• Phần trăm chênh lệch giữa Z₀ và trở kháng tải

Chúng ta có thể thấy trở kháng đầu vào xuất hiện ở phía nguồn của một kết nối liên tiếp trong sơ đồ sau.

Đây là giá trị trở kháng đầu vào cần được hiểu nếu bạn muốn sử dụng quy tắc chiều dài quan trọng. Điều này là bởi vì đường truyền không khớp sẽ xuất hiện có trở kháng bằng với trở kháng đầu vào như một chức năng của tần số.

Cách Tính Toán Chiều Dài Quan Trọng Một Cách Chính Xác

Vì mọi người tiếp tục trích dẫn quy tắc thiết kế này như một chân lý, tôi sẽ chỉ cách thực sự xác định một chiều dài quan trọng. Để xác định một chiều dài quan trọng, trước tiên chúng ta phải nhận ra tại sao chúng ta có thể định nghĩa một chiều dài quan trọng.

Lý do chúng ta có thể định nghĩa một chiều dài quan trọng là bởi vì trở kháng đầu vào có thể không bằng với trở kháng tải khi đường truyền nối chúng được làm dài hơn. Nói chung, bạn muốn trở kháng đầu vào bằng với thông số trở kháng mục tiêu của kênh.

Vì vậy, trước khi chúng ta bắt đầu tính toán này, chúng ta cần những đầu vào sau:

• Giao diện có trở kháng mục tiêu (thường là 50 Ohm)
• Trở kháng đầu vào của tải
• Trở kháng đặc trưng hiện tại của đường truyền
• Một sự lệch lạc chấp nhận được giữa đường dây và trở kháng mục tiêu
• Một giới hạn băng thông nào đó đối với tín hiệu số
• Hằng số truyền bá trên đường truyền.

Lưu ý rằng thời gian tăng không cần thiết trong danh sách này. Thời gian tăng không đóng vai trò nào trong việc xác định chiều dài quan trọng. Việc mọi người có thể định lượng chiều dài quan trọng dựa trên một phần của thời gian tăng chỉ là một sự trùng hợp ngẫu nhiên. Ví dụ dưới đây sẽ cho thấy lý do.

Ví dụ Với Microstrips

Bây giờ, hãy cùng xem một mô phỏng đơn giản để minh họa những điểm này. Giả sử chúng ta có một microstrip (lớp 5 mil, Dk = 4, Df = 0.02, bỏ qua sự mất mát của dẫn) kết nối một nguồn và tải với thông số trở kháng là 50 Ohm. Chỉ để đơn giản, giả sử tải được kết thúc với 50 Ohms với đủ dung kháng tải sao cho chúng ta mong đợi thời gian tăng từ 10% đến 90% là 1 ns tại tải và băng thông kênh là 350 MHz; "băng thông tín hiệu có thể sử dụng" chỉ dựa trên ước lượng băng thông kênh -3 dB , mặc dù xin lưu ý rằng ước lượng này chỉ chính xác trong những trường hợp cụ thể và chỉ được sử dụng ở đây để tạo điều kiện cho việc trình bày khái niệm.

Đầu tiên, giả sử rằng chúng ta đã đặt một đường dây với trở kháng đặc trưng là 80 Ohms, và chúng ta bỏ qua sự mất mát để đơn giản hóa. Đồ thị dưới đây cho thấy trở kháng đầu vào cho đường dây này dựa trên giới hạn băng thông kênh 350 MHz của chúng ta. Chúng ta có thể làm cho đường dây này dài bao nhiêu trước khi chúng ta thấy quá nhiều sự lệch lạc trong trở kháng đầu vào?

Biểu đồ dưới đây cho thấy kết quả cho các microstrip với trở kháng đặc trưng là  80, 70 và 60 Ohm. Trục x hiển thị chiều dài dây dẫn dưới dạng một phần của chiều dài di chuyển trong thời gian tăng (tôi đã đặt tên cho đó là chiều dài thời gian tăng). Trục y hiển thị phần trăm lệch so với trở kháng đầu vào và trở kháng mục tiêu là 50 Ohm. Các đường nét đứt cho thấy tỷ lệ trục x tại giới hạn lệch trở kháng là 20%.

Chúng ta nên hiểu như thế nào?

Giả sử chúng ta đang thiết kế một kênh để đạt giới hạn lệch trở kháng 20% mà tôi đã đánh dấu ở trên, nghĩa là giao diện của chúng ta có dung sai trở kháng không quá ±20%. Chiều dài quan trọng cho dây 80 Ohm sẽ là 23% của chiều dài thời gian tăng, trong khi chiều dài quan trọng cho dây 60 Ohm là 40% của chiều dài thời gian tăng. Nếu trở kháng đặc trưng của dây tiếp cận 50 Ohm, thì chiều dài quan trọng sẽ tiến tới vô cùng.

Bây giờ giả sử chúng ta yêu cầu một băng thông là 500 MHz với một lệch trở kháng thực tế hơn là 10%. Điều gì xảy ra với chiều dài quan trọng cho ba microstrip này? Biểu đồ dưới đây cho thấy chiều dài quan trọng trở nên nhỏ hơn nhiều. Dây 80 Ohm có chiều dài quan trọng là ~11%, trong khi dây 60 Ohm có chiều dài quan trọng là 18%.

Trong ví dụ trên, tôi đã tùy ý đặt băng thông là 500 MHz chỉ để đơn giản hóa. Nhưng hãy nhớ rằng, tần số gối không nên được sử dụng trong hầu hết các trường hợp thực tế vì có nhiều dòng bit khác không có mối quan hệ rõ ràng giữa thời gian tăng và băng thông. Bất kỳ kênh nào được điều chế PAM đều có tính chất này, bao gồm Ethernet, SerDes cực nhanh và các giao diện logic chuyên biệt (ví dụ, được tạo ra bằng FPGA). Đối với một tín hiệu FM hoặc tín hiệu QAM trong hệ thống không dây, không hề có "thời gian tăng" mặc dù kênh đang truyền dữ liệu số; bạn sẽ định nghĩa chiều dài quan trọng như thế nào trong trường hợp đó? (Gợi ý: nó sẽ liên quan đến bước sóng của sóng mang)

Kết quả Quan trọng

Rõ ràng là chiều dài quan trọng phụ thuộc vào trở kháng đặc trưng của đường dây như chúng ta mong đợi. Điều không nên ngạc nhiên là sự khác biệt vừa phải về trở kháng và thay đổi băng thông vừa phải tạo ra sự thay đổi lớn trong chiều dài quan trọng. Nhưng quan trọng hơn, kết quả trên cho thấy điều rất quan trọng về chiều dài quan trọng:

Tôi sẽ lặp lại một lần nữa: chiều dài quan trọng hoàn toàn không phụ thuộc rõ ràng vào thời gian tăng, điều quan trọng là băng thông kênh cần thiết. Kết quả quan trọng thứ hai như sau:

Hãy nhớ trong tính toán ở trên, tôi đã giả định rất tự do về trở kháng tải, băng thông kênh mà nó thiết lập, và thời gian tăng kết quả tại tải. Trên thực tế, những con số này có thể rất khác nhau, do đó, “chiều dài thời gian tăng” tương đương của chúng ta sẽ rất khác nhau. Điều này đưa ra một điểm khác để nhấn mạnh:

Trong một dòng thực tế hơn, nơi chúng ta tính đến tất cả các tổn thất và tính đến dung kháng tải/dung kháng gói/điện cảm đặt có chủ ý, mối quan hệ giữa băng thông và thời gian tăng là rất phức tạp. Nếu bạn đang xử lý một tín hiệu nhị phân sóng vuông cơ bản, điều này đòi hỏi giải một phương trình siêu việt để xác định băng thông -3 dB. Đây chỉ là một lý do khác để tránh ý tưởng về tần số gối khi bạn đi vào các kênh dài hơn với tổn thất và linh kiện nhiễu.

Có Khi Nào Nên Sử Dụng Quy Tắc Chiều Dài Quan Trọng?

Nếu giao diện tốc độ cao của bạn có thông số trở kháng, thì không, bạn không bao giờ nên sử dụng quy tắc chiều dài quan trọng. Chỉ cần tính toán trở kháng, phép toán liên quan rất đơn giản. Bạn cũng có thể tìm các máy tính trở kháng miễn phí sẽ cung cấp cho bạn ước lượng chính xác.

Trong công việc với khách hàng của tôi, tôi chưa bao giờ sử dụng quy tắc chiều dài quan trọng trong một dự án chuyên nghiệp ngoại trừ một trường hợp: bus đẩy kéo với thời gian tăng rất nhanh nhưng không có thông số trở kháng. Ví dụ duy nhất thực sự quan trọng ở đây là SPI hoặc GPIO nhanh; không có thông số trở kháng dấu vết SPI, nhưng thời gian tăng trên một số SoCs có thể nhỏ như vài ns với dung kháng tải thực tế. Điều tương tự có thể xảy ra với GPIO trên một số linh kiện tiên tiến.

Hình dưới đây cho thấy hai bảng trong bảng dữ liệu của AWR2243 transceiver, mà tôi đã sử dụng trong nhiều dự án cho khách hàng liên quan đến mô-đun radar. Bạn có thể thấy rằng các đường SPI và GPIO có thể hoạt động với thời gian tăng rất ngắn.

Một bus SPI và một số đường GPIO cũng có thể trở nên rất dài trong thực tế, trong trường hợp này chúng có thể cần một điện trở nối tiếp để khớp với trở kháng đầu ra của trình điều khiển. Điện trở nối tiếp cũng làm chậm tín hiệu đầu ra, điều này hữu ích cho EMI.

Đây là loại trường hợp mà một quy tắc chiều dài quan trọng nên được sử dụng, nhưng vẫn cần xác định băng thông (có thể dựa trên tốc độ lấy mẫu hoặc thời gian tăng). Trong trường hợp này, lý do duy nhất bạn thực sự sử dụng quy tắc là để xác định liệu có nên đặt điện trở nối tiếp kết thúc trên bus hay không. Tuy nhiên, điểm quan trọng ở đây là bạn không so sánh với bất kỳ trở kháng mục tiêu nào! Nhớ rằng, trong trường hợp này bạn được chọn trở kháng cho các đường này vì bạn được chọn chiều rộng của dây dẫn.

Tóm tắt

Như chúng ta đã thấy ở trên, việc sử dụng đúng quy tắc thiết kế chiều dài quan trọng đòi hỏi ít nhất 3 phép tính trở kháng với 6 giá trị đầu vào. Chúng ta thậm chí chưa đề cập đến phần băng thông, yêu cầu giải một phương trình siêu việt với đường truyền để có kết quả chính xác. Do đó, thật là mỉa mai khi ai đó sử dụng khái niệm chiều dài quan trọng như một lý do để tránh tính toán trở kháng, đặc biệt là khi việc tính toán trở kháng là cần thiết để thực hiện điều này một cách chính xác.

Tôi nghĩ điều này nhấn mạnh điểm chính của tôi:

Mặc dù khái niệm này không nên được sử dụng như một quy tắc thiết kế, nó vẫn hữu ích như một công cụ giải thích để hiểu tại sao bạn có thể thấy điều gì đó như tổn thất trở lại cao trong một biểu đồ S11. Tôi nghĩ điều này rất hữu ích vì S11 cơ bản cho bạn biết trở kháng đầu vào, và ở các tần số cụ thể bạn có thể thấy trở kháng đầu vào rất khác so với trở kháng mục tiêu của bạn. Một “phân tích chiều dài quan trọng” với một phép tính trở kháng đầu vào có thể được sử dụng để xác định các đặc điểm cụ thể tạo ra tổn thất trở lại lớn, tương tự như những gì sẽ được thực hiện bằng cách nhìn vào một phép đo TDR.

Vì toán học đầy đủ của vấn đề này trở nên rất phức tạp và liên quan đến việc thao tác với hàm truyền dẫn của đường truyền, tôi sẽ để dành điều này cho một bài viết khác hoặc một bài báo khoa học bên ngoài.

Nếu bạn muốn tránh rắc rối này với các chiều dài quan trọng, hãy sử dụng máy tính trở kháng trong Quản lý Lớp Xếp chồng trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.