Understanding Signal Reflections for High-Speed Design
שלום לכולם, אתחיל במבוא קצר: השתקפויות של אותות (Reflections) וההנדסה הקשורה להתאמת עכבה (Impedance) הם חלק מהנושאים הבסיסיים הקשורים לתכנון ועריכה של מעגלים דיגיטליים במהירות גבוהה.
במקרה של מערכת דיגיטלית עם קצב סיביות גבוה, שבה נשלח מידע על מצב הסיביות "0" ו-"1" בצורה של אות גל ריבועי, ההנחה היא שזמן העלייה (או הירידה) של הקצוות העולים ויורדים זניחים ביחס לתדר האות הבינארי. בפועל, אות דיגיטלי לעולם לא עולה ויורד במהירות אינסופית. זמן העלייה (והירידה) נקבע לפי הפרמטרים של נתיב האות (Routed Signal) הכולל את המשדר, פרמטרי המקלט והמאפיינים הפיזיקלים של הקו המוליך.
במקרה של מערכות העובדות בקצבים מהירים (מעתה נקרא להם HSD – High Speed Design), זמן העלייה והירידה עשוי להיות קצר – 1ns ומטה. תדר האות הבינארי במערכות דיגיטליות יכול להגיע למספר גיגה-הרץ גבוה, וכדי לשמור על צורה מלבנית יחסית, הקצוות העולים ויורדים צריכים להיות שבריר ממשך הסיביות.
מהירות התפשטות הגל האלקטרומגנטי (התפשטות המתח והזרם בקו התמסורת) תלויה במספר גורמים, ביניהם סוג קו התמסורת וסוג המצע/PCB.
לדוגמא: עבור קווי תמסורת מצע ומיקרו-סטריפ FR4, מהירות ההתפשטות היא כ-160 Mm/s (מגה-מטרים לשנייה). אם זמן העלייה (או הנפילה) של הקצה הוא למשל 200ps, אז הקצה העולה (או היורד) יעבור לאורך קו ההולכה 32 מ"מ או 1.25 אינץ' בזמן העלייה או הנפילה של האות המשודר.
התאמת עכבה והתאמה התנגדות:
אם עכבת המוצא של ה-TX היא צימוד מורכב של עכבת המקלט ולניתוב/מוליך המחבר את המשדר והמקלט יש התנגדות זהה לחלק האמיתי של המשדר והמקלט, אז ניתוב האות מותאם. במקרים מעשיים של מערכות דיגיטליות, ההתאמה אינה מתבצעת על ידי חיווט מיוחד/מורכב עבור ניתובי המשדר או המקלט אלא הדבר ידרוש הוספת סלילים וקבלים לקווי האות כדי לבטל רכיבי עכבה דמיוניים כלשהם.
נוהג נפוץ כיום הוא להתאים רק את החלק ההתנגדות של ה-ICs (המשדרים והמקלטים) ולהפוך את העכבה האופיינית לקו השידור להתנגדות גרידא – כלומר על ידי מרחקים שווים בין הTX וה RX. במקרה זה, רק נגדים נדרשים כדי לספק את ההתאמה הנדרשת, למשל סדרת נגדים בטור בפלט של ה-DRIVER הוא אחד הפתרונות האפשריים להתאים את המשדר לקו ההולכה. במקלט ניתן להשתמש בנגד מקביל לאדמה (או עבור זוג דיפרנציאלי – נגד בין העקבות היוצרות את זוג הדיפרנציאלי). כמה דוגמאות הקשורות לטופולוגיות טרמינצייה מקלט מוצגות באיור מטה שנלקחו מהכלי Signal Integrity by Keysight הזמין ב-Altium Designer.
להחזרי אותות במערכת דיגיטלית
בחלק הזה אדבר על תאום בין סיגנלים עם צורות גל השתקפות שיתבססו על מערכת בעלת התנגדות של 50Ω – מערכת נפוצה עבור RF Design, אולם הקשרים המוצגים בסעיף זה חלים גם על מערכות דיגיטליות המשתמשות בעכבות אחרות וכן עבור אותות המשודרים באמצעות זוגות דיפרנציאליים – נפוץ למערכות דיגיטליות מהירות, למשל USB3.0 או PCIe.
השיקולים שהוצגו משמיטים את ההשפעה של החלק הדמיוני של העכבה של המשדר, המקלט. קו השידור מתוכנן באמצעות פרופיל עכבה (מוגדר ל-50Ω). במקרה זה מצב ההתאמה מקבל את הצורה המוגדרת על ידי משוואה שבה לכל התנגדות יש ערך של 50 Ω (ראו משוואה).
Ro=Ri=Rt=50Ω
- Ro – התנגדות פלט של המשדר
- Ri – התנגדות הכניסה של המקלט
- Rt – עכבה אופיינית של קו השידור
אלו הן טרמינציות מסוג – Thevenin, Pull-Up, and AC :
פולס מוזרק (עירור) בסימולציית Signal Integrity כפי שניתן לראות עם שני קבלים בטור:
השתקפויות אות (Reflections) במערכת לעיל עבור ביצוע פולס – בדוגמא השתקפות פאזה חיובית:
דיליי (Delay) של המוליך המחושב על ידי Altium באופן אוטומטי:
השתקפויות אות (Reflections) במערכת לעיל עבור ביצוע פולס – בדוגמא השתקפות פאזה שלילית:
עכבה לא אחידה כתוצאה מעובי מוליך שונה לאורך הסיגנל:
השפעת המוליך הלא אחיד על הסימולצייה:
אני מזמין אתכם להיכנס לדף הלינקדין שלנו ולהתעדכן בפוסטים מעניינים, בנוסף לדף הוובינרים שלנו ביוטיוב.
למידע נוסף צרו איתנו קשר,
תודה שקראתם ונתראה בבלוג הבא,
בן מימון
