Hướng dẫn: Cách Ghép Nối Trở Kháng và Kết thúc Tải Điện dung

Đối với những ai chú ý đến các kênh Youtube của Altium, bạn biết rằng tính toàn vẹn tín hiệu là một chủ đề nóng và nó tạo ra rất nhiều câu hỏi. Mới đây, tôi nhận được một câu hỏi thú vị từ một người xem hỏi về việc kết thúc tải điện dung:

Tôi thấy có rất nhiều video tuyệt vời về việc khớp trở kháng và thiết kế độ rộng của các đường dẫn để khớp với trở kháng cáp đến, nhưng còn việc khớp với tải điện dung thì sao?

MOSFET thế hệ hiện tại và GaN HEMTs có khả năng chuyển mạch dưới 100 ns tại thời điểm này và vì vậy tôi cảm thấy việc khớp với cổng của một thiết bị điện sẽ trở thành một vấn đề lớn hơn trong tương lai…

Như tôi sẽ giải thích dưới đây, ý tưởng về một tải thuần túy điện dung là một sự ngộ nhận. Có, tụ điện tồn tại, nhưng tất cả các tụ điện đều không lý tưởng, và đó là sự lệch lạc này khỏi dung kháng lý thuyết quyết định cách khớp trở kháng với một tải thể hiện hành vi điện dung. Hãy cùng xem xét khía cạnh quan trọng này của thiết kế kết nối và xem thực sự kết thúc một tải điện dung có nghĩa là gì.

Tải Điện Dung Là Gì?

Rất đơn giản, tải thuần dung không tồn tại. Ngay cả các bộ tụ điện cũng không thực sự là tải “dung” từ góc độ công suất phản kháng. Trong điện tử, và cụ thể là trong PCB, một tải có vẻ như là dung sẽ chỉ xuất hiện như vậy trong một phạm vi tần số nhất định, và dung kháng có thể không phát sinh do việc đặt tụ điện một cách có chủ ý.

Thay vào đó, trong điện tử, khi chúng ta nói một tải là dung, chúng ta thường đề cập đến trở kháng của linh kiện, hoặc cụ thể là trở kháng đầu vào. Một trở kháng đầu vào dung thường giảm khi tần số tăng và gây ra dòng điện dẫn trước điện áp về pha. Một số ví dụ bao gồm:

• Mạch RC hoặc một số mạch RLC
• Cổng I/O trên các mạch tích hợp
• Cực cổng trên MOSFET
• Đoạn dây trên đường truyền, tùy thuộc vào chiều dài và cách kết thúc của chúng
• Mạng khớp trở kháng

Nói cách khác, phần tử được ước lượng như một tụ điện, ngay cả khi nó không chính xác hoạt động như vậy. Với điều này trong tâm trí, hãy khám phá hai trường hợp chính nơi trở kháng dung và kết thúc được xem xét: tín hiệu tương tự hẹp băng và tín hiệu số rộng băng.

Tín hiệu Tương tự

Nếu bạn chỉ làm việc ở một tần số cụ thể, hoặc trong một phạm vi tần số hẹp, thì bạn sẽ muốn sử dụng một mạch lọc LC tiêu chuẩn. Cụ thể, một nhóm gồm hai tụ điện hoặc một bộ lọc L thường được sử dụng để xác định điều này: phần thực của trở kháng tải phải lớn hơn không. Điều này phản ánh thực tế rằng, đối với một tải thực, nó sẽ không hoàn toàn có tính dung kháng.

Để khớp trở kháng hoàn toàn cho toàn bộ kết nối, bạn nên sử dụng quy trình sau:

1. Xác định mạch lọc LC cần thiết để đặt trở kháng tương đương của (tải + bộ lọc) về trở kháng mục tiêu. Điều này dễ dàng thực hiện với sự chuyển đổi nối tiếp/song song và bằng cách giải các giá trị L và C.
2. Tính toán trở kháng đầu vào cho đường truyền tín hiệu cụ thể của bạn như được thấy ở đầu vào sử dụng công thức tiêu chuẩn.
3. Đặt trở kháng nguồn để khớp với trở kháng đầu vào được tính toán ở Bước 2.

Các trở kháng khác nhau được sử dụng cho tải điện dung được hiển thị bên dưới. Thông thường, mạng ghép nối sẽ là một mạng ghép nối L hoặc một cặp tụ điện/cuộn cảm trong một sắp xếp pi với tải. Người thiết kế có thể chọn chức năng cao qua hoặc thấp qua trong mạng ghép nối và áp dụng phân tích mạch để có được Zeq.

Bước 1 là cơ bản trong phân tích mạch nên tôi sẽ không trình bày một giải thích đầy đủ ở đây, có lẽ tôi sẽ đề cập đến điều này trong một bài viết khác. Bạn có thể tìm thấy một hướng dẫn tuyệt vời tại liên kết này (bắt đầu từ Trang 3). Trong Bước 2, trở kháng tương đương (mục tiêu) bạn tính toán trong Bước 1 trở thành tải được sử dụng trong tính toán trở kháng đầu vào ở Bước 2. Cuối cùng, trong Bước 3, bạn có thể cần áp dụng một mạng ghép nối bổ sung để ghép nối trở kháng nguồn với trở kháng đầu vào (dây + bộ lọc).

Ghép nối với Trở kháng Đầu vào Đường Truyền

Tôi đã đề cập ở trên rằng nguồn có thể cần phải được khớp với đầu vào. Ý tôi là, nếu đường dây hơi dài hơn giới hạn của một đường dâi ngắn về mặt điện và có một số sự không khớp còn sót lại, trở kháng đầu vào của (đường dây + bộ lọc) có thể khác biệt đáng kể so với trở kháng đặc trưng của đường truyền. Do đó, bạn cần thiết lập trở kháng đầu ra của nguồn để khớp với trở kháng đầu vào của đường dây tại tần số cần thiết. Điều này được thực hiện với một mạng khớp khác (xem bên dưới). Điều này có thể đơn giản như một điện trở nối tiếp, mặc dù trong các mạch phản ứng với đường truyền, đôi khi có ý nghĩa sử dụng mạch LC cho việc khớp trở kháng tại tần số cần thiết.

Bạn có thể đang nghĩ: tại sao tôi chỉ có thể sử dụng cuộn cảm và tụ điện để khớp với tải điện dung tùy ý nếu tôi cần có một trở kháng tải thực? Sự thật là trở kháng tải sẽ có một phần thực rất nhỏ. Ngay cả đối với các thành phần in hoặc trở kháng tùy ý, mạch tải luôn luôn có một số điện trở nhiễu nào đó ở đâu đó trong mạch. Điều này sẽ xuất hiện trên các chân linh kiện, đường dẫn PCB, và bất kỳ cấu trúc nào khác trong bố trí PCB được sử dụng để tạo kết nối.

Đường Dây Ngắn

Nếu đường truyền ngắn, mọi thứ sẽ dễ dàng hơn nhiều. Trong trường hợp này, bạn không cần mạch Mạng Ghép Nối Đầu Vào được hiển thị ở trên. Với một đường dây ngắn, trở kháng nguồn Zs chỉ nhìn thấy tải, vì vậy bạn có thể sử dụng trở kháng nguồn làm mục tiêu trở kháng của mình khi thiết kế khối mạch Ghép Nối Đầu Ra. Trong mạch RF, đây không phải là điều bạn thường thấy, có sự truyền dẫn đến một khối mạch khác (cáp, bộ phát, v.v.), vì vậy sẽ có một số lệch trở kháng đầu vào cần xem xét.

Mạch Logic Tốc Độ Cao

Chúng ta không phải lúc nào cũng đề cập đến điều này khi thảo luận về mạch logic tốc độ cao, nhưng các đầu vào của mạch logic CMOS có một số dung lượng được xác định bởi kích thước transistor và bao bì của bộ thu. Tất cả mạch logic dựa trên transistor đều có tính chất dung lượng, cũng như các đường dẫn được sử dụng để hướng dẫn tín hiệu đến các đầu vào. Đường dẫn và bao bì cùng nhau có một số dung lượng nhiễm sắc cần được sạc lên để tín hiệu truyền đi có thể được giải mã là trạng thái logic mong muốn.

Sự khác biệt giữa đường truyền tín hiệu và tải điện dung là đường truyền tín hiệu thực sự là một mạch LC ghép (thực sự là một mạch RLC) với hằng số điện môi phức tạp. Do đó, trở kháng của nó gần như là thực. Tuy nhiên, tải điện dung thực sự tạo ra các hiệu ứng thực; các giá trị tải điện dung điển hình có thể thay đổi từ 1 pF đến 100 pF cho các thành phần kỹ thuật số hiện đại, tùy thuộc vào bao bì và nút công nghệ. Tải điện dung mắc song song với một mạch logic trở kháng cao (cỡ 1 MOhm), vì vậy cùng nhau chúng hoạt động như một mạch RC một khi chúng nhận được sóng đến. Do đó, chúng ta chỉ lo lắng về việc áp dụng kết thúc như thể mọi thứ đều được làm từ các điện trở; chúng ta chỉ quan tâm đến các tần số đến giới hạn nơi tải điện dung chiếm ưu thế.

Rõ ràng, đây là một tải "điện dung". Trong mạch kỹ thuật số, chúng ta nhận thức rằng tải điện dung là một yếu tố giới hạn băng thông; nó chỉ trở nên quan trọng khi bạn đi vào các tần số GHz cao, nghĩa là chúng ta chỉ quan tâm khi dải tần số cắt của trở kháng đầu vào này chồng chéo với một phần đáng kể của băng thông tín hiệu kỹ thuật số. Không thực tế khi áp dụng kết thúc băng thông rộng trong các mạch này để hoàn toàn ngăn chặn phản xạ. Luôn luôn sẽ có một số phản xạ xảy ra khi tín hiệu di chuyển đến tải.

Do đó, ngành công nghiệp đã tập trung vào những vấn đề như chỉnh lưu và các lược đồ tín hiệu đa cấp để khôi phục tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu cho một thời gian tăng cố định. Trong mọi trường hợp, phần tử kết thúc có thể có mặt trên chíp linh kiện trừ khi logic chuyên biệt được sử dụng. Một ví dụ với kết thúc song song được hiển thị bên dưới.

Một phương án khác ở đây là sử dụng kết thúc RC tại bộ nhận, nhưng điều này ít phổ biến hơn và sẽ yêu cầu một cặp linh kiện bên ngoài. Ý tưởng ở đây là làm chậm thời gian tăng, điều này thường bị giới hạn bởi cấu trúc thiết bị trên chíp (thường là đầu vào trở kháng cao). Kết thúc RC nói chung không được ưa chuộng cho mục đích này vì tốt hơn là làm chậm tín hiệu tại bộ phát hơn là tại bộ nhận. Tuy nhiên, bạn có thể không có sự lựa chọn trong một số trường hợp, ví dụ khi bộ phát không được đặt trên PCB của bạn và bạn chỉ có tùy chọn đặt một kết thúc RC tại bộ nhận.

Điều cần nhớ là: đối với mạch tích hợp số, chúng ta không nhất thiết phải lo lắng về việc kết thúc dung kháng bởi vì chúng ta đang cố gắng khớp trở kháng trên phạm vi băng thông rộng nhất có thể thay vì tại một tần số cụ thể. Điều này đặt phần lớn trọng tâm vào thiết kế kênh vật lý để đảm bảo tổn thất phản hồi là tối thiểu trên các kênh ngắn và tổn thất chèn là tối thiểu trong các kênh dài. Nếu chúng ta chỉ quan tâm đến việc khớp tại một tần số cụ thể, chúng ta có thể mất phần lớn công suất của tín hiệu và nó có thể bị mất hoàn toàn.

Tóm tắt

Chỉ để tóm tắt, dưới đây là một số điểm quan trọng cần nhớ:

• Không có tải thuần dung. Ngay cả tụ điện ngừng hoạt động như tụ điện lý tưởng ở tần số cao đủ. Tải thực có thể hành xử gần giống như dung kháng.
• Tín hiệu tương tự có thể được khớp trở kháng với tải dung bằng mạch lọc LC tiêu chuẩn.
• Trong mạch số, chúng ta không thể thực sự kết thúc tải dung kháng do bản chất băng thông rộng của tín hiệu số.

Sau khi bạn đã xác định yêu cầu chuyển đổi chế độ cặp vi sai của mình, bạn có thể tạo hình học và quy tắc định tuyến cặp vi sai của mình sử dụng các tính năng bố trí PCB tốt nhất trong ngành trong Altium Designer®. Bộ quản lý Layer Stack Manager tích hợp bao gồm một trình giải quyết trường siêu chính xác cho tính toán trở kháng trong các hình học tiêu chuẩn, và bạn có thể ngay lập tức áp dụng kết quả như một quy tắc thiết kế trong công cụ định tuyến của mình. 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.