Continuamos revisando el rastreo de PCB. Publico este artículo desde mi ciudad natal, Severodvinsk, gracias a mis maestros de escuela. El tema al que está dedicado es básico y, por lo tanto, es importante tratarlo. Aquí, se considerarán los reflejos en las líneas de señal y, como siempre, se darán recomendaciones para reducir la distorsión de la señal, incluido el uso de diversas técnicas de correspondencia de líneas.
En un artículo
anterior en el ciclo, se demostró que la presencia de cortes en la ruta de la corriente de retorno aumenta la inductancia del circuito de señal, lo que afecta negativamente el nivel de EMR de la placa de circuito impreso. Sin embargo, su impacto negativo no termina allí (vale la pena señalar que hay situaciones en las que el uso de recortes en la capa de referencia reduce el nivel de EMR de la placa de circuito impreso, sin embargo, requieren una gran precisión desde el punto de vista del control de las corrientes de retorno y no pueden recomendarse en el caso general). Un corte, como otras inhomogeneidades (agujero de transición, ramificación de la pista, cambio en el ancho de la pista o la distancia desde la capa de referencia, etc.) cambia el valor local de la impedancia (impedancia instantánea en inglés) de la línea de señal. Cualquier cambio en la impedancia en el curso de la propagación de la señal conduce a un cambio en su amplitud y a la aparición de una señal reflejada que se propaga de regreso a la fuente (Fig. 1).
Las amplitudes de las señales directas e inversas relativas a la fuente están determinadas solo por los valores de las impedancias Z
1 y Z
2 a una frecuencia dada:
Un signo menos delante de los coeficientes indicará un cambio en la fase de la señal en 180
° . Incluso si la línea de señal es homogénea (en adelante, la uniformidad de la línea significa la constancia de los parámetros geométricos de su sección transversal) en toda su longitud, y su impedancia es constante y se llama impedancia característica, las reflexiones pueden ocurrir no solo en la línea misma, sino y en sus extremos, en el lado de la fuente o en el lado de la carga. Considere un circuito simple (Fig. 2), en el cual las resistencias tanto de la fuente de señal como de la carga no son consistentes con la impedancia de onda de una línea homogénea. En este caso, los reflejos en la línea ocurren repetidamente, desvaneciéndose gradualmente y conducen a un patrón de interferencia: la suma de las señales. El patrón de señales reflejadas y los resultados de la simulación en LTSpice para una señal de pulso paso a paso con una amplitud de 1.2 V y un borde de ataque de 1 ns también se muestran en la figura.
Tenga en cuenta que el voltaje en la entrada de la línea de señal durante el tiempo de propagación de la señal (hasta la primera reflexión) no es igual al voltaje de la fuente de señal V
S y está asociado con él por el coeficiente del divisor resistivo
Después de múltiples reflexiones desde los extremos de las líneas, el valor del voltaje en la carga tiende a la suma de la progresión geométrica decreciente igual al voltaje en el brazo inferior del divisor resistivo
Dado que en condiciones reales es imposible asegurar la constancia de la impedancia a lo largo de la ruta de propagación de la señal, siempre se producen reflejos. La pregunta es bajo qué condiciones conducen a una distorsión de señal notable. Consideramos nuevamente un ejemplo del circuito que se muestra en la Fig. 2, fijando los valores de la resistencia de la fuente de señal, la carga y la impedancia de onda de la línea. Por lo tanto, las amplitudes de las señales interferentes incluidas en la suma también se conservan. Sin embargo, además de las amplitudes de las señales A
i, el valor de la suma depende de sus desplazamientos de tiempo τ
i :
donde TD es el tiempo de propagación de la señal en la línea o el retraso de tiempo de la línea (retraso de línea de transmisión en inglés). Este valor está determinado por la longitud L de la línea de señal y la velocidad de propagación v de la señal en la línea TD = L / v. Reduciremos el retraso de tiempo de la línea, mientras que la duración de los "estantes", cuando el valor de la señal es constante, también disminuirá. Y cuando la señal reflejada i + 1st llega a la carga inmediatamente después de que la señal i alcanza su valor de amplitud, los estantes desaparecerán. Dado que la señal alcanza su valor de amplitud en un tiempo igual a la duración del frente t
R , se debe hacer lo siguiente:
Una disminución adicional en el retraso de tiempo conducirá al hecho de que no se alcanzarán los valores de amplitud de la onda (timbre en inglés). En el caso limitante de la línea infinitamente corta TD → 0, el transitorio oscilatorio está ausente. De ahí la conclusión sobre la necesidad de minimizar la longitud de la línea para señales críticas, ya mencionada en un artículo
anterior en relación con una disminución de la inductancia. Por supuesto, las líneas de señal reales en una placa de circuito impreso tienen una longitud finita, por lo que la condición TD << t
R es un criterio matemático para una pequeña ondulación.
R.1.
Una condición práctica para pequeñas distorsiones de una señal de pulso con una duración frontal tR en una línea de señal con un retardo de tiempo TD es TD <1/5 ∙ t R. Para estimar la longitud de la línea de señal, podemos tomar v ≈ 15 cm / ns (para FR4), luego la condición puede reescribirse como L [cm] <3 ∙ t R [ns].
Es importante entender que el grado aceptable de distorsión debe ser determinado por el diseñador de la placa de circuito impreso, o este parámetro debe especificarse como restrictivo. Además, la amplitud de la ondulación depende no solo de la relación entre t
R y TD, sino también del grado de desajuste de línea. En la recomendación dada, las pequeñas distorsiones se entienden como pulsaciones, cuya amplitud no excede aproximadamente ± 10%. Si la condición t
R > 5 ∙ TD no se cumple o si el requisito de pulsación es más estricto, existen tres formas de reducir los fenómenos de resonancia en la línea:
- disminución en TD (principalmente debido a la disminución en la longitud de la línea),
- aumento de t R (disminución de la velocidad de conmutación de señal),
- Coordinación de línea (terminación en inglés).
El objetivo de todos los métodos de coincidencia de líneas (tabla 1) es garantizar que no haya reflejos en uno o ambos extremos. Ninguno de los métodos es ideal: cada uno de ellos tiene sus pros y sus contras, mientras que absolutamente todos los métodos conducen a pérdidas de energía adicionales. Por lo tanto, no se recomienda recurrir a la coincidencia de línea antes de proporcionar la longitud de línea mínima posible y la velocidad de conmutación de señal.
Tabla 1. Métodos de coincidencia de línea de señal.
| Título y esquema | Tasa de pérdida | Comentarios |
|---|
 | bajo |  |
 | alto |  |
 | promedio |  |
 | promedio |  |
Notas:
(1) En un circuito en paralelo, se puede utilizar una conexión tanto a un cable común como a una fuente de alimentación.
(2) Por óptima se entiende un criterio para minimizar las pérdidas de energía.
En el caso de que la línea de señal conecte la fuente de señal a una sola carga (punto a punto), se pueden usar tanto la coincidencia de impedancia en el lado de la fuente como en el lado de la carga. Si hay varias cargas en la línea de señal (inglés multiload), se recomienda aplicar la coordinación en el lado de la carga. Ejemplos de tales esquemas donde la ausencia de distorsión de la señal es siempre crítica, mucho: un circuito de reloj distribuido, bus de datos multipunto, organización de memoria externa con varios microcircuitos, etc. En la literatura en inglés, se distinguen ramas de línea de señal cortas (rama inglesa) y largas (rama inglesa) . La ventaja de las ramas cortas es que pueden no tener componentes coincidentes al final, sin embargo, hay una restricción en su longitud.
R.2.
Las ramas cortas de la línea de señal pueden ser inconsistentes, pero su longitud debe ser mínima y no debe exceder el valor en el que TD STUB 1/5 R. t R.
En la Fig. 3 se muestran tres patrones principales de ramificación de la línea de señal en N secciones. 3. Un circuito con una sección corta (el mismo criterio que para una bifurcación) antes de la bifurcación conduce a una mayor carga en la fuente de señal. Si la sección es larga antes de ramificarse, entonces es necesario aumentar la impedancia de las ramas. Un aumento en la resistencia a las ondas de la línea de señal en la misma capa requerirá una disminución en su ancho, lo que puede convertirse en una limitación. Si usa una resistencia en serie con la resistencia R = (N - 1) ∙ Z
0 , entonces forma un divisor de voltaje - y la amplitud de la señal en la carga disminuye V
CARGA = 1 / N ∙ V
IN . Obviamente, cada uno de los esquemas no está exento de inconvenientes (además de aumentar el número de componentes utilizados), por lo tanto, se recomienda utilizar la topología con ramificación (topología en estrella) solo cuando se utiliza una topología con una línea de señal principal y ramas cortas (ing. topología de la cadena daizy) no es posible.
En conclusión, debe tenerse en cuenta que la elección del método de coincidencia de la línea de señal está estrechamente relacionada con los circuitos de la placa de circuito impreso, por lo que si el desarrollador solo es responsable de la topología de la placa de circuito impreso, la decisión debe tomarse junto con el ingeniero de circuitos utilizando el modelado de línea de señal (SPICE o software especializado). Sin embargo, la cuestión de la necesidad de coordinar la línea siempre la inicia el diseñador de la placa de circuito impreso si es imposible proporcionar el nivel de distorsión requerido de otras maneras.
El artículo fue publicado por primera vez en la revista Components and Technologies 2018, No. 3. La publicación sobre Habr ha sido acordada con los editores de la revista.