Hiểu về Phản xạ Tín hiệu cho Thiết kế Tốc độ Cao

Giới thiệu

Phản xạ tín hiệu và kỹ thuật liên quan đến việc khớp trở kháng là một trong những chủ đề cơ bản liên quan đến thiết kế của các hệ thống số tốc độ cao. Trong trường hợp của hệ thống số với tốc độ bit cao, trong đó thông tin về trạng thái của các bit "0" và "1" được gửi dưới dạng tín hiệu sóng vuông, người ta giả định rằng thời gian tăng (hoặc giảm) của các cạnh tăng và giảm là không đáng kể so với tần số tín hiệu nhị phân. Trên thực tế, một tín hiệu số không bao giờ tăng và giảm vô hạn nhanh. Thời gian tăng (và giảm) được xác định bởi các thông số của đường truyền tín hiệu bao gồm các thông số của bộ phát, bộ nhận và các đặc tính vật lý của đường truyền tín hiệu.

Trong trường hợp của các hệ thống tốc độ cao, thời gian tăng và giảm có thể ngắn đến mức 1ns hoặc thấp hơn. Tần số tín hiệu nhị phân trong các hệ thống số có thể đạt vài GHz và để duy trì hình dạng tương đối hình chữ nhật, các cạnh tăng và giảm nên là một phần của thời lượng bit.

Tốc độ truyền sóng điện từ (sự truyền điện áp và dòng điện trong đường truyền) phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm loại đường truyền và loại nền tảng. Ví dụ: đối với nền tảng FR4 và đường truyền microstrip, tốc độ truyền là khoảng 160Mm/s (megamet mỗi giây) hoặc 525Mft/s (mega feet mỗi giây). Nếu thời gian tăng (hoặc giảm) cạnh là ví dụ 200ps, thì cạnh tăng (hoặc giảm) sẽ di chuyển dọc theo đường truyền 32mm hoặc 1.25inch trong thời gian tăng hoặc giảm.

Việc giữ nguyên hình dạng tín hiệu phụ thuộc vào việc đường truyền trên PCB, qua một khoảng cách có thể so sánh với khoảng cách mà cạnh tăng (hoặc giảm) di chuyển, có duy trì được sự liên tục của trở kháng và kết thúc đúng cách ở phía bên nhận hay không. Trong trường hợp của các kết nối rất ngắn hoặc thời gian tăng (giảm) của tín hiệu số chậm, hiện tượng phản xạ, như được mô tả ở đây, có thể không quan sát được và có thể bỏ qua. Như một quy tắc chung, có thể giả định rằng nếu khoảng cách mà cạnh tín hiệu di chuyển (tức là sản phẩm của thời gian truyền và tốc độ truyền) là hơn 10% chiều dài truyền, cần phải chú ý đến việc phù hợp đúng cách các đầu ra, đầu vào và đường truyền - quy trình này được gọi là khớp trở kháng và bao gồm thiết kế các đường dẫn trên PCB cũng như các mạng lưới khớp, được tạo thành từ các điện trở.

Khớp trở kháng và khớp điện trở

Mối quan hệ xác định điều kiện khớp trở kháng được biết đến rộng rãi. Nếu trở kháng đầu ra của TX là liên hợp phức của trở kháng của bộ thu và đường nối giữa bộ phát và bộ thu có điện trở giống như phần thực của bộ phát và bộ thu, thì đường truyền tín hiệu được khớp. Trong các trường hợp thực tế của hệ thống số, việc khớp không được thực hiện bằng cách triển khai một mạng lưới khớp trở kháng liên hợp phức cho đường truyền của bộ phát hoặc bộ thu (điều này sẽ yêu cầu thêm cuộn cảm và tụ điện vào các đường tín hiệu để hủy bỏ bất kỳ thành phần trở kháng ảo nào. Ngoài ra, loại khớp này thường là băng hẹp nên nó không có ứng dụng thực tế trong hệ thống số).

Một phương pháp phổ biến là chỉ khớp phần điện trở của các IC phát và nhận và làm cho trở kháng đặc tính của đường truyền tín hiệu hoàn toàn điện trở. Trong trường hợp này, chỉ cần các điện trở để cung cấp sự khớp cần thiết, ví dụ: một điện trở nối tiếp tại đầu ra của bộ điều khiển là một trong những giải pháp có thể để khớp bộ phát với đường truyền tín hiệu. Tại bộ thu, một điện trở song song với mặt đất có thể được sử dụng (hoặc Đối với một cặp vi sai - một điện trở giữa các dấu vết tạo thành cặp vi sai). Một số ví dụ liên quan đến các cấu trúc kết thúc bộ thu được hiển thị trong hình 1 lấy từ công cụ Tính toán Tín hiệu có sẵn trong Altium Designer.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Hình 1: Các kiểu kết thúc có sẵn trong công cụ Tính toán Tính toán Tín hiệu của Altium Designer

Ví dụ về phản xạ tín hiệu trong hệ thống số

Chương này thảo luận về các ví dụ khớp tín hiệu với hình dạng sóng phản xạ sẽ dựa trên hệ thống 50Ω - hệ thống phổ biến cho thiết kế tần số radio, tuy nhiên các mối quan hệ được trình bày trong phần này cũng áp dụng cho các hệ thống số sử dụng các hồ sơ trở kháng khác cũng như cho các tín hiệu được truyền bằng cách sử dụng cặp vi sai - phổ biến cho các hệ thống số tốc độ cao, ví dụ USB3.0 hoặc PCIe. Các xem xét được trình bày bỏ qua ảnh hưởng của phần ảo của trở kháng của bộ phát, bộ nhận. Đường truyền được thiết kế bằng cách sử dụng hồ sơ trở kháng (được thiết lập là 50Ω) được định nghĩa trong Altium Designer. Trong trường hợp này, điều kiện khớp có dạng được xác định bởi phương trình 1 trong đó mỗi trở kháng có giá trị là 50Ω.

Đối với mục đích mô phỏng, mô hình IBIS của chip LMK00334RTVR đã được sử dụng. Các điện trở được sử dụng để khớp các thành phần cho chip này gần với 50Ω - đã được chứng minh rằng hệ thống được khớp tốt bằng cách sử dụng mô phỏng khi sử dụng các điện trở 50Ω. Lưu ý rằng LMK00334RTVR có thể yêu cầu các giá trị khác nhau cho việc kết thúc đầu vào và đầu ra.

Ro=Ri=Rt=50Ω (phương trình 1)

Nơi:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

• Ro - điện trở ra của bộ phát,
• Ri - điện trở vào của bộ thu,
• Rt - trở kháng đặc trưng của đường truyền.

Trường hợp hệ thống khớp nối, kích thích xung đơn

Trong trường hợp thiết kế khớp nối đúng cách, các điện trở trong mạng khớp nối được xác định bởi phương trình 1. Sơ đồ của hệ thống như vậy được hiển thị trong hình 2 và kết quả mô phỏng được trình bày trong hình 3. Không có sự phản xạ tín hiệu nào trong hệ thống dọc theo đường truyền. Tín hiệu được gửi từ chân U29 của U1, đi qua điện trở khớp nối nối tiếp (R5) và được hấp thụ hoàn toàn bởi điện trở tải (R4) ở đầu kia của đường dây. Tổng năng lượng được hấp thụ bởi R4 và do đó không có sự phản xạ xảy ra - chỉ có xung nguồn được nhìn thấy.

Hình 2: Sơ đồ mạch được sử dụng cho mô phỏng

Hình 3: Mô phỏng xung đơn trong mạch khớp nối hoàn toàn

Phản xạ trong hệ thống cho kích thích xung đơn. Trường hợp phản xạ cùng pha

Nếu các điện trở được cho bởi phương trình 1 không giống nhau, sự phản xạ sẽ xảy ra trong hệ thống. Ví dụ về phản xạ tín hiệu được trình bày trong hình 4, nơi mà điện trở shunt của bộ nhận được tăng từ 50Ω lên 10kΩ (xem hình 2, điện trở R4) và điện trở của bộ phát (R5) được giảm xuống còn 1Ω. Trong trường hợp này, xung được gửi bởi bộ phát không được hấp thụ bởi R4 ở phía bộ nhận. Tín hiệu được phản xạ và trở lại đầu vào của bộ phát sau khoảng 1.6ns. Biết thời gian truyền và tốc độ, người ta có thể tính được khoảng cách từ bộ phát tín hiệu đến nơi xảy ra sự không khớp trở kháng, nhớ rằng xung đi qua khoảng cách này hai lần. Altium Designer cung cấp giá trị thời gian truyền cho một mạch nối cụ thể - xem hình 5. Thời gian truyền cho mạch nối này được Altium Designer tính toán và bằng 807ps. Đối với một chuyến đi và về, đây là khoảng 1.6ns.

Hình 4: Trường hợp phản xạ xung đơn

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Hình 5: Độ trễ truyền của đường truyền, được tính toán bởi Altium Designer

Phản xạ trong hệ thống cho một kích thích xung đơn. Trường hợp phản xạ lệch pha

Trong trường hợp này, các điện trở mạng khớp được thiết lập như sau: Ro=R5=50Ω. Ngoài ra, Ri=R4 được thiết lập là 100mΩ (có thể được coi là một mạch ngắn so với 50Ω). Nếu đường truyền tín hiệu ở phía bên kia được kết thúc với một điện trở thấp hơn so với điện trở của nguồn và đường truyền tín hiệu, thì tín hiệu được phản xạ 180 độ lệch pha. Sự phản xạ này dẫn đến một điện áp âm trên đường truyền tín hiệu - xem hình 6. Điện áp âm này có thể dẫn đến việc dẫn điện của các diode bảo vệ của chân mạch tích hợp hoặc thậm chí làm hỏng chip.

Hình 6: Phản xạ âm và dương trên đường truyền tín hiệu

Phản xạ do hồ sơ trở kháng không đồng nhất của đường truyền tín hiệu, kích thích xung đơn

Trong trường hợp này, bộ phát và bộ nhận được ghép nối (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), trong khi đó đường truyền được thiết kế để có trở kháng đặc trưng không đồng nhất dọc theo chiều dài của nó - xem hình 7. Điều này dẫn đến sự phản xạ do trở kháng không đồng nhất dọc theo đường dây. Kết quả mô phỏng cho trường hợp này, được thực hiện trong công cụ SI của Altium Designer, được hiển thị trong hình 8. Trong trường hợp này, một loạt các phản xạ tín hiệu xảy ra dọc theo đường dây. Điều này cho thấy rằng trở kháng của đường truyền nên được thiết kế để đồng nhất dọc theo chiều dài của nó. Thiết kế như vậy cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu của hệ thống.

Sự thay đổi không mong muốn trong trở kháng đặc trưng dọc theo đường truyền có thể có nguồn gốc khác nhau, ví dụ: nó có thể liên quan đến sự thay đổi trong chiều rộng của nó (như được hiển thị trong hình 7). Ngoài ra, các yếu tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra trở kháng không đồng nhất ví dụ như mất mặt phẳng tham chiếu, bộ vias dọc theo đường dây, các trường đồng nằm gần đường truyền và hơn thế nữa.

PCB Design Solutions

For the Consumer Electronics Industry

Learn More

Hình 7: Trở kháng không đồng nhất dọc theo đường truyền

Hình 8: Ảnh hưởng của đường truyền không đồng nhất

Phản xạ trong đường truyền không khớp với kích thích sóng vuông

Hình 9 trình bày trường hợp không khớp tín hiệu của bộ thu, bộ phát và đường truyền (bao gồm cả sự không liên tục của nó). Trong trường hợp này, bộ phát cung cấp cho đường truyền một tín hiệu sóng vuông 1GHz để mô phỏng giao tiếp số trong hệ thống. Tín hiệu này trở nên hoàn toàn méo mó bởi một loạt phản xạ trong hệ thống không khớp như vậy. Điện áp đường truyền dao động xung quanh 1.5V, cũng vượt quá trạng thái ban đầu (1.85V) gần 400mV. Trong trường hợp này, giao tiếp trong hệ thống sẽ bị gián đoạn. Cũng có các thành phần tần số cao trong đường truyền vượt quá 1GHz có thể là nguồn gây nhiễu và vấn đề với EMI. Bộ phát liên tục kích thích đường truyền, cung cấp năng lượng để duy trì cái gọi là sóng đứng trong đường truyền, làm méo mó hoàn toàn tín hiệu gốc.

Hình 9: Hệ thống không khớp với kích thích liên tục trong đường truyền

Kết luận

Phản xạ tín hiệu là kết quả của sự không khớp trở kháng trong chuỗi tín hiệu, bao gồm bộ phát, bộ thu và trở kháng hoặc trở kháng của đường truyền. Phản xạ cũng liên quan đến thiết kế không chính xác của đường truyền được sử dụng cho tín hiệu số (tốc độ cao) hoặc tín hiệu tương tự, như sóng mang của một hệ thống radio. Sự xuất hiện của phản xạ làm suy giảm tính toàn vẹn của tín hiệu và có thể dẫn đến tỷ lệ lỗi tăng trong hệ thống cũng như tăng phát xạ điện từ.

Kết quả mô phỏng được trình bày trong bài viết đã được thực hiện trong công cụ Tính toán Tính toán Tín hiệu của Altium Designer. Altium Designer hỗ trợ các nhà thiết kế hệ thống tốc độ cao trong việc thực hiện sơ đồ và thiết kế PCB chính xác bằng cách cung cấp các công cụ để mô phỏng mạch và hiện tượng tần số cao, như phản xạ tín hiệu được thảo luận trong bài viết.