Giảm xóc và Chuyển tiếp Phản xạ với Điện trở Kết thúc Dạng Chuỗi

Việc khớp trở kháng dẫn, nguồn và tải là quan trọng trong các bảng mạch chứa đường truyền tín hiệu. Để đạt được các điều kiện này, bạn có thể thấy một số thiết kế sử dụng điện trở kết thúc dạng chuỗi trên các đường truyền tín hiệu đơn cuối. Lý do cho việc này đôi khi là để làm chậm tín hiệu, hoặc đôi khi để thiết lập trở kháng đầu ra của bộ điều khiển, tùy thuộc vào người bạn hỏi.

Ngạc nhiên như có thể, việc đặt điện trở dạng chuỗi cho việc kết thúc đôi khi bị hiểu nhầm. Một số câu hỏi phát sinh là:

• Khi nào bạn cần phải đặt thủ công các điện trở dạng chuỗi?
• Khi nào bạn có thể dựa vào việc chỉ thiết kế một đường truyền tín hiệu với trở kháng mục tiêu?
• Bạn làm gì với đường truyền tín hiệu ngắn so với dài?
• Điện dung tải và sự nảy đất ảnh hưởng như thế nào đến tính toàn vẹn tín hiệu với một điện trở dạng chuỗi?
• Có sự khác biệt giữa đường truyền đơn cuối và đường truyền đối xứng không?
• Nếu một tiêu chuẩn tín hiệu không có yêu cầu về trở kháng (ví dụ, SPI hoặc I2C)

Trong bài viết này, tôi sẽ xem xét một số câu hỏi trên từ góc độ của GPIOs nhanh và bus nối tiếp. Chúng ta thường nhìn vào một tiêu chuẩn như SPI, và dễ dàng giả định rằng không cần thiết phải có sự kết thúc vì không có yêu cầu về trở kháng được chỉ định, và bus sẽ chạy chậm. Điều này không đúng trong tất cả các trường hợp, và việc đặt bất kỳ điện trở kết thúc nào sẽ ảnh hưởng đến thời gian tăng tín hiệu được tiêm vào, trở kháng đầu vào của đường dẫn, và giảm sự vượt quá trên dây.

Hai Chức Năng của Điện Trở Kết Thúc Dãy trên Đường Dẫn Đơn

Lý do điển hình để sử dụng kết thúc dãy như sau:

• Bus không có thông số về trở kháng
• Trở kháng đầu ra và mức tín hiệu đang được điều chỉnh đến một giá trị mục tiêu cho logic chuyên biệt
• Trình điều khiển push-pull chuyển đổi rất nhanh (có thể thấp đến vài ns)
• Thời gian tăng của tín hiệu nhìn thấy tại bộ nhận phụ thuộc vào dung lượng tải
• Trở kháng đầu ra từ trình điều khiển thường thấp
• Có hiện tượng rung trên đường dây

Điểm cuối cùng có thể do hai yếu tố gây ra: phản xạ trên đường truyền dài, hoặc kích thích một phản ứng tạm thời trên đường ngắn. Cái trước liên quan đến sự không khớp trở kháng, trong khi cái sau lại liên quan đến các yếu tố gây ra hiện tượng nảy đất.

Phản xạ trên đường dài: Đôi khi sử dụng kết thúc chuỗi tại nguồn vì trở kháng đầu ra của trình điều khiển luôn nhỏ hơn trở kháng đơn cuối của đường truyền. Trong trường hợp lý tưởng trở kháng đầu ra là 0 Ohm, nhưng nói chung sẽ là một giá trị nhỏ không bằng không. Cách đơn giản nhất để xác định giá trị của điện trở kết thúc là trừ trở kháng đầu ra khỏi trở kháng đường truyền:

Giảm xóc trên đường dây cộng hưởng ngắn: Một điện trở kết thúc mạch nối tiếp có thể được sử dụng để tăng hằng số giảm xóc trong mạch tương đương cho đường truyền tín hiệu. Nếu điện trở kết thúc mạch nối tiếp có giá trị vừa phải, bạn có thể giảm xóc tới mức tối ưu bất kỳ dao động tạm thời nào có thể xảy ra trong một đường ngắn:

Lưu ý rằng Z(giảm xóc) không luôn bằng Z(TL). Cả hai trường hợp đều dựa vào việc biết trở kháng đầu ra của bộ điều khiển.

Ví dụ, nếu trở kháng đầu ra từ bộ điều khiển của bạn thay đổi từ 20 đến 30 Ohm trong các trạng thái BẬT và TẮT, tương ứng, thì điện trở kết thúc mạch nối tiếp tốt nhất để sử dụng là 25 Ohm. Điều này sẽ xác định một trở kháng từ 45 đến 55 Ohm tại nguồn, đặt bạn hoàn toàn trong phạm vi biến động +/- 10% của mục tiêu trở kháng đường dẫn 50 Ohm, giả sử không có các yếu tố khác gây ra biến động trở kháng đầu ra. Cảm ơn Dr. Howard Johnson đã chỉ ra điều này.

Điện trở nối tiếp trong Đường Dây Đơn Cộng Hưởng Ngắn

Trong một đường truyền tín hiệu đơn cuối ngắn, tín hiệu thường tăng trên toàn bộ đường truyền. Điều này có nghĩa là dung lượng tải đang được sạc trong khi tín hiệu vẫn đang được đưa vào đường truyền. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ nói rằng đường truyền tín hiệu dưới chiều dài tới hạn của nó. Trong trường hợp này, dung lượng tải sẽ có hai tác động ở đây:

1. Dung lượng tải góp phần vào tổng dung lượng mà tín hiệu nhìn thấy
2. Nếu có dư thừa cảm kháng trong đường dẫn tín hiệu, bạn có thể nhận được sự nảy mạnh của mặt đất

Về mặt mô hình hóa phản ứng, bạn có thể xem kênh như một mạch RLC tổng hợp như được hiển thị dưới đây. Mạch RLC tổng hợp bao gồm tổng cảm kháng của L1 + L2 khi tắt, hoặc L3 + L2 khi bật; dung lượng đến từ dung lượng tải và dung lượng của dấu vết. Chúng ta thường bỏ qua R1 khi phân tích điều này vì điện trở sẽ rất thấp (giá trị mOhm) trong trạng thái ON.

Nếu bạn phân tích mô hình RLC tương đương định nghĩa một đường truyền với một điện trở kết thúc nối tiếp, bạn có thể nhanh chóng xác định mức độ giảm xóc do sự hiện diện của một điện trở kết thúc nối tiếp. Bởi vì đây là một mạch RLC, nó có thể thể hiện một dao động được chồng lên trên mức tín hiệu BẬT hoặc TẮT. Dao động tạm thời này sẽ được nhìn thấy như một sự vượt quá tần số cao tại bộ nhận, vì vậy sẽ là mong muốn để giảm bớt sự vượt quá này nếu có thể.

Khi đường truyền được giảm xóc tới mức tối ưu, một dao động tạm thời sẽ được hoàn toàn dập tắt và vẫn giữ được thời gian tăng nhanh nhất. Bạn sẽ thêm giảm xóc như thế nào? Bạn sẽ làm điều đó với một điện trở nối tiếp, và một điện trở nối tiếp được chọn đúng sẽ đưa bạn đến giảm xóc tối ưu. Nếu bạn tính toán tần số dao động tạm thời và giảm xóc trong mô hình RLC này, bạn có thể xác định giá trị của điện trở kết thúc nối tiếp cần thiết để tạo ra giảm xóc tối ưu:

Liệu thực sự có thể giảm xóc tối ưu phản ứng không? Câu trả lời là "có thể"...

Người ta có thể ngay lập tức thấy rằng trở kháng đầu ra của nguồn và điện trở kết thúc nối tiếp có thể gần gấp đôi trở kháng tương đương của kênh để đạt được giảm xóc tối ưu, đặc biệt khi trở kháng nguồn rất nhỏ. Lưu ý rằng chúng ta có các tham số sau đây cho chúng ta tổng độ tự cảm và trở kháng:

• C(dây) - Thông thường từ 2 đến 3 pF/inch
• C(tải) - Có thể từ 1 đến 10 pF (có thể lớn hơn)
• L(dây) - Thông thường từ 5 đến 10 nH/inch
• L(1) và L(3) - Cỡ ~1 nH do bất kỳ vias và khung dẫn
• Z(nguồn) - Có thể lên đến 20 Ohms cho một bus đẩy kéo thông thường không có thông số trở kháng

Vì các tham số này cộng lại ở cả tử số và mẫu số, chúng ta có thể thấy rằng chúng ta cần phải có điện trở nối tiếp ít nhất bằng với trở kháng đặc trưng để đạt được sự giảm xóc tới hạn. Rõ ràng, do mất mát công suất qua điện trở nối tiếp, bạn có thể không còn đủ tín hiệu ở bộ thu để chuyển trạng thái logic. Theo ý kiến của tôi, điện trở nhỏ hơn (22 hoặc 33 Ohms) tốt hơn và tôi thường thấy chúng trên nhiều thiết kế.

Ví dụ về một Dây Ngắn Điện (1 inch)

Hãy xem một ví dụ:

1. Giả sử trong ví dụ trên, mặt đất và nguồn có kết nối via với L(via) = 1 nH. Nếu chúng ta có một đường dây dài 1 inch với C(tải) = 4 pF, L(dây) = 7.5 nH/inch, và C(dây) = 3 pF/inch. Tổng trở kháng nguồn cần thiết để đạt được sự giảm xóc tới hạn sẽ là 70 Ohm.
2. Nếu trở kháng đầu ra của I/O là 10 Ohm, thì điện trở nối tiếp cần phải là 60 Ohm
3. Tần số cộng hưởng giảm xóc sẽ là 646 MHz, dẫn đến một chu kỳ dao động không đầy đủ giảm xóc là 1.55 ns.

Vì trở kháng đặc trưng của dây nhắm tới 50 Ohm, và bạn thấy cộng hưởng trên máy hiện sóng, có thể tự nhiên cho rằng tiếng vang đến từ phản xạ và một điện trở nối tiếp 40 Ohm sẽ loại bỏ tiếng vang. Trên thực tế, bởi vì tiếng vang thực sự do cộng hưởng kích thích trong đường dây ngắn, việc giảm xóc hoàn toàn của tiếng vang không xảy ra trừ khi bạn sử dụng điện trở nối tiếp có kích thước lớn hơn.

Giảm Xóc và Khớp Nối Có Sự Đánh Đổi

Phần trên minh họa rằng có sự đánh đổi giữa việc giảm xóc và việc khớp trở kháng: không thể vừa giảm xóc tới mức tối ưu vừa khớp trở kháng hoàn hảo mà không mất một lượng công suất nào đó trên điện trở nối tiếp. Nếu bạn khớp trở kháng nguồn chính xác với trở kháng đường truyền, bạn sẽ tạo ra hai vấn đề:

• Bạn tạo ra dao động không đủ giảm xóc khi bộ điều khiển chuyển đổi.
• Bạn mất một lượng công suất qua điện trở nối tiếp và bạn có thể không đăng ký được điện áp chính xác tại tải trừ khi tải có trở kháng cao như được định nghĩa bởi điện dung tải của nó.

Đó là lý do tại sao chúng ta thay vào đó chọn một tụ điện bypass như một giải pháp cho vấn đề này. Mô hình kết quả sẽ trông như dưới đây, nơi mà tụ điện bypass hiệu quả được mắc nối tiếp để bù đắp cho dao động tạm thời và sự nhảy mặt đất.

Liệu tụ điện bypass có loại bỏ được nhu cầu về một điện trở nối tiếp không? Một lần nữa, câu trả lời cho câu hỏi này là "có thể". Tôi sẽ lập luận rằng bạn nên trải qua quá trình sau:

1. Áp dụng tụ điện bypass được khuyến nghị hoặc tính toán đầu tiên
2. Bảng dữ liệu cho trình điều khiển đơn cuối của bạn nên bao gồm giá trị thời gian tăng so với dung lượng tải của bộ thu
3. Dựa vào dung lượng tải trong thiết kế của bạn, xác định xem tốc độ biên có quá nhanh để đảm bảo tiếng ồn thấp không
4. Nếu tốc độ biên quá nhanh, bạn dài hơn chiều dài quan trọng, hoặc bạn vẫn có sự vượt quá mức dư thừa ở dung lượng tải thấp, hãy thêm vào một điện trở mắc nối tiếp nhỏ.

Những điểm này quan trọng vì một số bộ xử lý trở nên tiên tiến hơn với kích thước nhỏ gọn hơn. Những thiết bị này sẽ cho thấy xu hướng tiếp tục giảm dung lượng tải, dẫn đến tốc độ biên nhanh hơn trên các bus đơn giản như SPI.

Tìm Kiếm Sự Thỏa Hiệp

Điểm từ cuộc thảo luận trên là: luôn sẽ có một chút dao động trên cạnh tăng của tín hiệu, và sự vượt quá có thể lớn hơn khi tốc độ biên nhanh hơn. Điều này có thể được làm chậm với việc đặt thủ công điện trở kết thúc dãy, nhưng có lẽ không hoàn toàn loại bỏ chỉ bằng cách sử dụng một điện trở mắc nối tiếp. Thay vào đó, chúng tôi ưu tiên sử dụng tụ điện bypass như bước đầu tiên để giảm phản ứng chuyển tiếp, sau đó chúng tôi có thể sử dụng điện trở mắc nối tiếp, nhưng chỉ khi bus không có thông số trở kháng.

Xác định sự thỏa hiệp đúng đắn giữa việc giảm xóc và khớp trở kháng thực sự đòi hỏi phải xem xét đến biên độ nhiễu tại bộ thu. Nếu bộ thu có biên độ nhiễu lớn, thì có lẽ bạn có thể thiết kế theo trở kháng đặc trưng mà không lo lắng về việc vượt quá giới hạn; bạn sẽ không gây ra sự chuyển mạch không mong muốn hoặc nhập vào khu vực không xác định cho gia đình logic của bạn. Nếu biên độ nhiễu hẹp, thì bạn có thể cần phải chấp nhận một sự không khớp nhỏ và giảm truyền năng lượng từ nguồn và sử dụng một điện trở lớn hơn, điều này sẽ đưa phản ứng gần hơn với giảm xóc tới hạn. Mặc dù điều này giảm biên độ của dao động tạm thời, nhưng nó cũng tăng thời gian tăng lên một chút, điều này có thể vi phạm thời gian thiết lập và giữ của bộ thu.

Do vấn đề đã đề cập trước đó, nơi mà trở kháng đầu ra của một trình điều khiển có thể khác nhau trong trạng thái BẬT và TẮT, bạn có thể khớp tới hạn một cạnh của xung, trong khi cạnh kia thể hiện một số hiện tượng rung trong quá trình chuyển mạch. Nếu tải là một bộ thu Z cao không yêu cầu kết thúc, thì bạn thậm chí có thể có một phản xạ tạo ra một phản ứng bậc thang trên một hoặc cả hai cạnh của xung.

Luôn kiểm tra đường truyền tín hiệu trong nguyên mẫu của bạn về tính toàn vẹn tín hiệu

Với các lựa chọn khác nhau dành cho việc kết thúc trong các ứng dụng khác nhau, việc sử dụng một gói thiết kế PCB bao gồm tích hợp công cụ sắp xếp và mô phỏng của bạn trên một nền tảng duy nhất là rất hữu ích. Với Altium Designer, bạn sẽ có quyền kiểm soát đầy đủ đối với thiết kế của mình, và công cụ mô phỏng của bạn sẽ lấy dữ liệu trực tiếp từ bố cục của bạn. Điều này giúp bạn xác định giá trị điện trở kết thúc chuỗi phù hợp hoặc bất kỳ linh kiện nào khác bạn cần cho mạng lưới kết thúc. Khi bạn 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.