СОГЛАСОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Под высокоскоростными монтажными платами подразумеваются монтажные платы, работающие в диапазоне сверхвысоких частот (свыше 300 МГц). При работе цифровой платы в режиме передачи высокочастотного сигнала неизбежно возникают искажения и помехи, поэтому плата должна быть помехоустойчивой. Поэтому в любой современной цифровой схеме должно присутствовать согласование сигналов.

Понятие помехоустойчивости состоит из двух частей, которые представляют собой защиту от внешних и внутренних наводок. В статье рассматривается защита от внутренних наводок.

«Классические» высокочастотные (Рисунок 1) линии передачи данных согласовываются и на стороне источника, и на стороне приемника сигнала (нагрузки) с использованием «терминирующих» резисторов с номиналом Z₀, равным по значению волновому сопротивлению линии[1].

Волновое сопротивление длинной линии (продольный размер которой превышает либо сравним с длиной волны, распространяющейся в ней, а поперечные размеры значительно меньше длины волны) [2] считается по формуле:

,

где      U_m ‑ амплитуда напряжения волны (падающей, отражённой или бегущей);

I_m ‑ амплитуда силы тока той же волны.

Рисунок 1. Классическое ВЧ-согласование.

Если сигнал распределяется только на печатной плате, то может быть использована схема последовательного согласования на передающем конце линии, с выбором согласующего резистора, который при последовательном соединении с выходным сопротивлением обеспечит значение, равное Z₀ линии (Рисунок 2).

Рисунок 2. Последовательное согласование.

Преимущество этого метода - низкое энергопотребление, и он лучше всего подходит для линий с одной нагрузкой на её удалённом конце. Если по длине линии есть дополнительные нагрузки, они могут вызвать ложное переключение из-за отраженной волны и может потребоваться искусственное замедление быстродействия входов для предотвращения ложного срабатывания.

Параллельное согласование (шунты) на дальнем конце линии используется, если есть ряд устройств, подключенных по всей линии, при этом они должны быть очень быстрыми, что может привести к случайному переключению.

Согласующий резистор на рисунке 3 показан подключённым к плану «земли». Параллельное согласование приводит к гораздо большему потреблению, а также может привести к чрезмерной нагрузке на выходах микросхем.

Рисунок 3. Параллельное согласование.

Альтернативная параллельных переговоров - схема Тевенина и схема RC (Рисунок 4).

Рисунок 4. Схема RC и схема Тевенина.

Схема Тевенина использует резисторы, которые дают параллельное сопротивление Z₀, и их значения таковы, что постоянное напряжение в средней точке примерно равно среднему напряжению в линии, чтобы уменьшить потребление. Схема требует правильного выполнения развязки планов питания во всей используемой частотной области, поэтому поблизости линия должна иметь соответствующие развязывающие конденсаторы.

RC схема использует терминирующий конденсатор с ёмкостью 10..620 пФ, и согласует только высокие частоты. Из-за трудностей с применением конденсаторов в широком диапазоне частот, RC цепи являются менее эффективными, чем параллельное согласование и согласование по схеме Тевенина.

Схема активного согласования использует источник питания для поддержания уровня напряжения на дополнительном опорном плане на необходимом уровне, который совпадает со средним значением цифровых сигналов. Параллельный терминирующий резистор подключается к этому плану, который должен быть надлежащим образом развязан для данного диапазона частот[3].

Если линия передачи является двунаправленной, то оптимальное расположение терминирующего резистора (последовательного или параллельного) является середина линии. Линии должны быть выполнены как можно короче, они не могут работать на максимальной скорости, при которой может работать сама микросхема. Параллельное согласование на обоих концах может дать очень хороший эффект и обеспечивает высокую скорость передачи данных, однако передатчики должны быть способны работать на нагрузку с низким сопротивлением, кроме того, потребление схемы увеличивается в целом.

Если несколько последовательно согласованных линий соединены в одной точке «звездой», то:

- используют один терминирующий резистор, который выбирается так, чтобы общее сопротивление источника равнялось параллельной комбинации всех линий, подключенных к звезде;

- используют согласующий резистор в каждой линии.

Предпочтительнее второй вариант.

Конфигурация звезды может быть использована для подключения нескольких параллельно согласованных линий. В любом случае, источник должен быть в состоянии работать на параллельную комбинацию сопротивлений всех подключенных линий[4].

В общем, лучше выбрать большую величину Z₀, чтобы уменьшить сигнальные токи и уменьшить излучение от проводников. Многие обычные CMOS или TTL микросхемы не были изначально предназначены для работы на линии передачи и не имеют достаточной выходной мощности или выходного сопротивления, идентичного для высокого и низкого уровня выходного сигнала. Такие микросхемы иногда в принципе могут быть использованы для подключения по схема последовательного согласования цепи, а также по схемам Тевенина, RC-согласования или активного согласования в линиях с высоким сопротивлением, но предсказать оптимальное значение и оптимальную схему включения сопротивления для каждого типа микросхем практически невозможно.

Микросхемы передатчиков для шины данных могут иметь выходное сопротивление 25 Ом, что дает возможность для подключения «звездой» четырех отдельных линий с сопротивлением 100 Ом или шесть линий с сопротивлением 150 Ом.

Список литературы:

1. ГОСТ 18238-72. Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения. Введ. 1972-11-20. М.: Изд-во стандартов, 2001. ‑ 66 с.
2. Джонсон Г., Грэхем М. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс чёрной магии : пер. с англ. / под ред. С.А. Добродеева. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. ‑ 624 с.
3. Джонсон Г., Грэхем М. Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс чёрной магии : пер. с англ. / под ред. С.А. Добродеева. М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. ‑ 1024 с.
4. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: OOO «Группа ИДТ», 2007. ‑ 616 с.