Đo Lường Trở Kháng Đường Truyền: Chế Độ Chẵn So Với Chế Độ Lẻ

Việc đo đạc đường truyền tín hiệu đơn cuối tương đối đơn giản so với đường truyền tín hiệu ghép nối. Bạn chỉ cần một nửa số cổng, không cần bao gồm các thành phần nhiễu xạ, và tất nhiên, không cần xem xét đến độ nhạy pha khi kích thích. Đường truyền tín hiệu chế độ chẵn và chế độ lẻ ghép nối thông qua điện dung và từ trường, khiến cho tín hiệu trên hai đường dây nhìn thấy các giá trị trở kháng không khớp với trở kháng đặc trưng, nhưng điều này cần được xác định cho các PCB tốc độ cao với các phép đo.

Khi thiết kế các giải pháp kết nối cho các bảng mạch tốc độ cực cao và tần số cao, bạn sẽ cần thu thập các phép đo trở kháng cho các thiết kế đề xuất của mình. Mô phỏng ở đây có ích, nhưng cuối cùng một sản phẩm thực tế sẽ cần được so sánh với hiệu suất của một nguyên mẫu. Dưới đây là các công cụ bạn cần để đo trở kháng, bao gồm trở kháng đường truyền tín hiệu chế độ chẵn và lẻ, và cách chúng liên quan đến các phép đo cơ bản khác trong hệ thống số.

Kỹ thuật Đo Trở Kháng Đường Truyền Tín Hiệu

Trở kháng có thể được đo trong miền tần số và miền thời gian (thường là đề cập đến các phép đo từ dữ liệu TDR), hoặc từ phép đo trực tiếp hoặc bằng cách tính toán từ các dữ liệu khác. Việc đo đạc yêu cầu một sự hiểu biết quan trọng về giới hạn của dụng cụ đo đạc của bạn, và bản chất của trở kháng trên các đường truyền tín hiệu thực tế.

1. Trở kháng không phải là hằng số trên toàn bộ băng thông tín hiệu, tức là, nó thay đổi theo tần số, và sự thay đổi này không phải là sự phụ thuộc đơn giản theo căn bậc hai nghịch đảo. Bất kỳ ai quen thuộc với mô hình RCLG đều nên nhận thức được điều này.
2. Sự méo tín hiệu xảy ra khi tín hiệu di chuyển dọc theo đường truyền, và các phép đo theo miền thời gian không tiết lộ rõ ràng sự méo phụ thuộc vào tần số. Bạn cần phải có phép đo theo miền tần số, hoặc bạn cần phải tính toán trở kháng phụ thuộc vào tần số.
3. Băng thông của phép đo trở kháng của bạn luôn bị giới hạn. Cụ thể, các phép đo theo miền thời gian sẽ hạn chế nghiêm trọng băng thông trừ khi phép đo của bạn rất nhanh. Do đó, rất nhiều thông tin bạn có thể trích xuất về trở kháng đường truyền và sự tán sắc sẽ bị giới hạn ở một tần số tối đa nhất định.

Hai kỹ thuật đo trở kháng đường truyền mà chúng ta sẽ xem xét ở đây là phản xạ kế thời gian (TDR, và phép đo truyền thời gian liên quan, TDT) và phép đo tham số S trong miền tần số. Có thể sử dụng máy phân tích mạng vectơ (VNA) để xây dựng tham số S chế độ hỗn hợp cho các đường truyền ghép nối, điều này sẽ cho bạn biết trở kháng chế độ chung hoặc trở kháng chế độ khác biệt của một cặp đường truyền ghép nối.Để thực hiện các phép đo này, bạn cần một mô-đun TDR, hoặc một oscilloscope có chức năng TDR tích hợp, và một VNA với băng thông đủ rộng.

Với những thiết bị này, chúng ta có thể đo được giá trị trở kháng đơn cuối cho mỗi đường trong một cặp đường ghép nối, hoặc chúng ta có thể đo trở kháng vi sai một cách trực tiếp hơn. Bảng dưới đây tóm tắt các kỹ thuật nào sẽ sản xuất ra loại xác định trở kháng nào.

Một số oscilloscope và VNA sẽ có chức năng TDR được tích hợp, vì vậy bạn có thể chỉ cần một thiết bị duy nhất để thực hiện các phép đo này. Nếu bạn không có một phần tư triệu đô la cho một VNA băng thông rộng 4 cổng, có những TDR nhanh có sẵn có thể được sử dụng để xác định các trở kháng này.

Trở Kháng Đặc Trưng Đơn Cuối

Phản Xạ Kích Thước Thời Gian (TDR)

Các phép đo TDR thường được đề cập trong bối cảnh của các đường truyền đơn cuối và sợi quang để đo độ phản xạ; phản xạ đo được của một xung trong miền thời gian có thể được sử dụng để tính toán trở kháng của đường truyền, điều này sau đó sẽ cho phép sử dụng cùng một kỹ thuật cho việc đo trở kháng của đường truyền. Điều này bao gồm việc gửi một xung xuống một kênh và đo thời gian cần thiết cho một tín hiệu phản xạ từ một sự không liên tục về trở kháng được áp đặt. Đối với việc đo trở kháng của đường truyền, điều này đòi hỏi phải đặt một phần tử với trở kháng biết trước ở phía xa của đường dây; điều sau đó được đo đối với một đường dây đủ dài là trở kháng đầu vào ở phía tải.

Phép đo trong miền thời gian này tiết lộ sự dịch chuyển pha do phản xạ (hoặc 0° hoặc 180°) và mức độ của tín hiệu phản xạ/phát. Từ dữ liệu này, bạn có thể tính toán trở kháng của đường truyền từ hệ số phản xạ phức tạp sử dụng công thức dưới đây:

Hệ số phản xạ phức tạp giữa một đường truyền và nguồn/tải. Đối với phản xạ từ phía nguồn, Z0 là trở kháng nguồn, và ZL là trở kháng đặc trưng của đường truyền. Đối với phản xạ từ phía tải, Z0 là trở kháng đặc trưng của đường truyền, và ZL là trở kháng nguồn.

Ở đây, giả định là nguồn được ghép nối hoàn hảo với đường truyền, đây là một lượng không xác định, mặc dù phản xạ có thể được xác định và sử dụng để xác định trở kháng đầu vào tại đầu vào của đường truyền. Bài học ở đây là: hãy cẩn thận với những gì bạn đang tính toán khi bạn sử dụng dữ liệu phản xạ để xác định trở kháng.

Thực tế bạn đang đo trong trường hợp với một TDR là phản ứng xung của đường truyền, vì vậy nếu bạn muốn, bạn có thể tính toán hàm truyền của đường truyền nếu bạn có thể đo mức điện áp của tín hiệu tại đầu tải của đường. Băng thông của tín hiệu mà bạn có thể đo sẽ bị giới hạn bởi chiều rộng của xung đầu vào (chúng là nghịch đảo của nhau). Tuy nhiên, hàm truyền cung cấp cho bạn thông tin đầy đủ về đường truyền và có thể được sử dụng để xác định các tham số ABCD, tiếp theo là các tham số S.

Cuối cùng, phương pháp miền thời gian không hoàn chỉnh vì bạn đang mất tất cả thông tin về tần số, vì vậy hệ số phản xạ bạn đo trong miền thời gian có thể được coi là một trung bình có trọng số tần số của một trở kháng không ổn định. Mặc dù không hoàn toàn đúng về mặt toán học, dữ liệu miền tần số ít quan trọng hơn dữ liệu miền tần số, tiết lộ bản chất thực sự của một đường truyền, cũng như các đường kết nối. Đây là nơi chúng ta sử dụng phép đo tham số S.

Phép Đo Tham Số S

Phép đo tham số S xem xét một đường truyền như một mạng 2 cổng và yêu cầu một VNA 2 cổng. Điện áp và dòng điện (công suất) đến/đi được đo bằng thiết bị này và sử dụng để xác định các giá trị trong ma trận tham số S trong miền tần số. Loại phép đo này có thể dễ dàng cấu hình với một VNA. Thực chất bạn đang đo là trở kháng đầu vào tại cổng đầu vào của đường dây, sau đó có thể được sử dụng để tính toán trở kháng đặc trưng và hằng số truyền cho một đường dây đơn lẻ.

Thay vì đi sâu vào tất cả các phép toán đằng sau điều này, tôi sẽ giới thiệu bạn đọc bất kỳ sách giáo trình điện tử nâng cao nào, hoặc bạn có thể xem PDF này để xem cách chuyển đổi các thông số Z với giá trị trở kháng đặc trưng sang các thông số S với trở kháng tham chiếu được xác định. Điểm quan trọng ở đây là hệ số phản xạ ở mỗi đầu của đường truyền có thể được tính toán từ hệ số S11, sau đó có thể được chuyển đổi trở lại thành trở kháng đường truyền dưới dạng một hàm của tần số.

Lưu ý rằng một thiết bị phân tích mạng vectơ (VNA) là một thiết bị vô giá để giữ trong phòng thí nghiệm của bạn, ngay cả khi đó là một đơn vị băng thông thấp. Các đơn vị cao cấp hơn có thể cung cấp tính toán từ thông số S sang thông số trở kháng tự động cho một trở kháng tham chiếu nhất định, và một số có thể cung cấp phép đo TDR.

Trở kháng Chế độ Chẵn và Lẻ cho Các Đường Dẫn Ghép

Khi kiểm tra các đường truyền ghép cặp cho chế độ chung hoặc chế độ khác biệt, bạn phải hoặc cung cấp hai tín hiệu TDR/TDT riêng biệt trên hai đường dây cùng một lúc, hoặc bạn phải đo trở kháng chế độ chẵn/lẻ. Trở kháng chế độ chẵn đơn giản chỉ là trở kháng của một đường dây đơn khi hai đường dây được điều khiển ở chế độ chung. Điều này khá đơn giản với một VNA vì bạn có thể trực tiếp đo các tham số S trong miền tần số và sau đó chuyển đổi điều này thành trở kháng.

Quy trình tương tự áp dụng cho trở kháng chế độ lẻ, nơi các đường dây ghép cặp được điều khiển ở chế độ khác biệt. Sau khi bạn tính toán trở kháng chế độ chẵn và lẻ, chỉ cần tính toán trở kháng chung và trở kháng khác biệt như được hiển thị dưới đây.

Lưu ý rằng, khi chúng ta đang xử lý các đường dây ghép cặp, trở kháng đặc trưng không còn quan trọng nữa. Các giá trị quan trọng là trở kháng chế độ chẵn và trở kháng khác biệt. Trong một tình huống lý tưởng, trở kháng chế độ chẵn sẽ gần bằng với trở kháng đặc trưng, và trở kháng khác biệt sẽ gần gấp đôi trở kháng đặc trưng với sự ghép cặp thấp.

Cơ bản, nếu bạn biết trở kháng đặc trưng của mỗi đường dẫn, và bạn biết một trong những trở kháng ghép nối, bạn có thể tính toán trở kháng ghép nối còn lại. Điều này là bởi vì trở kháng chế độ chẵn và chế độ lẻ liên quan đến trở kháng đặc trưng thông qua một trở kháng chuyển tiếp, về cơ bản có cùng định nghĩa như trong một PDN:

Tại đây, Z11 là trở kháng đặc trưng khi nhìn vào cổng 1 cho một trong những đường truyền. Nếu trở kháng chuyển tiếp được biết, thì bạn có thể tính toán trở kháng vi sai từ các phép đo đơn cuối.

• Đọc thêm về thiết kế theo thông số trở kháng vi sai
• Đọc thêm về sáu giá trị trở kháng đường truyền quan trọng

TDR cho Trở Kháng Ghép Nối

Trở kháng ghép nối cho một cặp đường dây có thể được đo với một TDR, mặc dù các hiệu ứng giới hạn băng thông và hiệu ứng trở kháng cổng vẫn áp dụng. Trở kháng ghép nối được xác định theo cách sau:

• Trở kháng chế độ chung/chẵn - Có thể được đo với một TDR đơn cuối. Chỉ cần nối cặp đường dây lại với nhau ở các đầu và cấp với một tín hiệu đơn, trở kháng bạn đo được sẽ là chế độ chung, và điều này có thể được sử dụng để tính toán chế độ chẵn.
• Chế độ chênh lệch - Điều này đòi hỏi một mô-đun TDR 2 đầu ra với cực tính có thể chọn. Lưu ý rằng các pha của tín hiệu đầu vào phải được khớp pha chính xác với bất kỳ cáp kết nối nào và trên PCB, nếu không bạn sẽ nhận được lỗi đáng kể trong phép đo.

Lưu ý rằng phép đo chế độ chênh lệch với đầu ra cực tính có thể chọn cũng có thể được sử dụng để xác định trở kháng chế độ chung. Một khi các giá trị ghép nối và đặc tính đã biết, trở kháng chuyển giữa các đường dây cũng có thể được xác định.

VNA cho Trở Kháng Ghép Nối

Một VNA đơn đầu có thể được sử dụng để xác định trực tiếp trở kháng của đường dây ghép nối. Trong trường hợp này, bạn đang đo các tham số S chế độ hỗn hợp qua 4 cổng. Một số VNA sẽ có trở kháng tham chiếu có thể chọn thông qua các đầu nối của nó hoặc bên trong thiết bị. Bạn có thể sau đó xác định trở kháng đầu vào chênh lệch hoặc trở kháng đầu vào chế độ chung với các phương trình sau:

Trong phương trình trên, chúng tôi giả định rằng cả hai cổng trên các đường dây ghép nối đều ở cùng một trở kháng tham chiếu (Zref).

Nếu VNA của bạn chỉ là một thiết bị 2 cổng, thì bạn có thể sử dụng nó để xác định các tham số S chế độ hỗn hợp cho bố trí đường truyền chênh lệch/chế độ chung. Để làm điều này, hãy theo quy trình sau:

1. Đo các thông số S đa cổng với thiết bị 2 cổng bằng cách kết thúc các cổng khác (xem thêm thông tin tại đây)
2. Chuyển đổi các thông số S đơn cuối từ Bước 1 sang các thông số S chế độ hỗn hợp sử dụng các nhóm phương trình được hiển thị dưới đây.

Hình ảnh dưới đây mô tả tất cả các phương trình cần thiết cho những chuyển đổi này. Chúng ta có thể cảm ơn một trong những khách mời podcast của chúng tôi, Bert Simonovich, đã biên soạn những phép đo này. Đảm bảo kiểm tra bài viết của anh ấy trên Signal Integrity Journal được liên kết trong chú thích.

So sánh Các Phép Đo của Bạn Với Các Mô Phỏng Trường EM

Khi bạn thiết kế và đo lường các kết nối liên lạc cho các ứng dụng tiên tiến, bạn nên so sánh kết quả của mình với dữ liệu từ một trình giải pháp trường điện từ (EM). Không cần thiết phải sử dụng các trình giải pháp sóng đầy đủ để có được một số phép đo cơ bản của đường truyền, bạn có thể sử dụng trình giải pháp trường mặt cắt 2D trong công cụ định tuyến PCB của mình hoặc một số trình giải pháp 2D/3D bên ngoài cụ thể cho đường truyền. Các trình giải pháp sóng đầy đủ trở nên quan trọng hơn khi các bảng mạch trở nên phức tạp hơn, và khi có các cấu trúc khác gần đó có thể ảnh hưởng đến trở kháng và sự cấy nhiễu vào đường truyền/các đường ghép nối. Nếu các đường trên một bảng mạch phức tạp đang được kiểm định và bảng mạch cần được gỡ lỗi, thì một trình giải pháp sóng đầy đủ có thể giúp tiết lộ vấn đề đang khiến bảng mạch không hoạt động.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về cách làm việc với các phép đo và tính toán đường truyền, hãy xem các bài viết này:

• Phương pháp Tính toán và Đo lường Trở kháng, Phần 1
• Phương pháp Tính toán và Đo lường Trở kháng, Phần 2
• Tại sao lại có Chiều dài Quan trọng của Đường Truyền?

Trình quản lý lớp chồng trong Altium Designer® bao gồm một trình giải quyết trường điện từ tích hợp để giúp bạn xác định trở kháng một cách chính xác, và các công cụ định tuyến có thể giúp bạn nhanh chóng cập nhật thiết kế dựa trên kết quả mô phỏng và đo lường. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ làm cho 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.