5 consigli per uno sballo migliore

Kerry Chayka | 25 maggio 2023

La progettazione di circuiti ad alta velocità è una delle aree più fondamentali, ma allo stesso tempo impegnative, della progettazione elettronica. I circuiti ad alta velocità sono comunemente usati oggi, poiché standard come USB, HDMI e PCIe richiedono alla maggior parte degli ingegneri elettrici professionisti di addentrarsi nel mondo dell'alta velocità. Guardando al futuro, vediamo una tendenza generale all’aumento delle frequenze di clock su tutta la linea, il che significa che i segnali ad alta velocità diventeranno ancora più comuni. Se sei un progettista elettronico oggi, semplicemente non puoi evitare l'alta velocità.

I segnali ad alta velocità introducono ulteriore complessità e sfide tecniche uniche che rendono la progettazione dell'hardware meno semplice. Una di queste considerazioni tecniche è l'adattamento dell'impedenza, un'area unica e meno conosciuta della progettazione dei circuiti. In questo contributo tratterò le nozioni di base sull'adattamento dell'impedenza e condividerò 5 suggerimenti per garantire che qualsiasi progetto di circuito ad alta velocità funzioni come previsto.

Per capire come progettare circuiti ad alta velocità, dobbiamo prima esaminare la teoria delle linee di trasmissione.

Tutti i conduttori in un circuito elettrico hanno un'impedenza caratteristica dati i contributi aggregati di capacità parassita, induttanza e resistenza. Nella maggior parte dei sistemi a bassa velocità, l'impatto di questi parassiti è trascurabile poiché gli effetti dell'induttanza e della capacità scalano con la frequenza. Tuttavia, una volta che le frequenze iniziano a diventare sufficientemente alte, questi parassiti non sono più trascurabili ed entrano in gioco gli effetti della linea di trasmissione.

Nello specifico ciò accade quando la lunghezza d'onda di un segnale diventa paragonabile alla lunghezza fisica del conduttore. In alternativa, quando la lunghezza dell'interconnessione in pollici è maggiore del doppio del tempo di salita del segnale in nanosecondi, gli effetti della linea di trasmissione saranno rilevanti.

Un circuito soggetto agli effetti della linea di trasmissione è caratterizzato dalla sua impedenza caratteristica, comunemente indicata con Z0, che è un'astrazione matematica del comportamento della linea di trasmissione determinata dalla geometria della linea. Nei circuiti ad alta velocità, l'impedenza caratteristica è rilevante perché se c'è una discrepanza tra l'impedenza del carico (o della sorgente) e l'impedenza caratteristica della linea, il circuito subirà riflessioni del segnale. In altre parole, se l'impedenza del carico (o della sorgente) non è esattamente uguale all'impedenza caratteristica della linea, parte dell'energia del segnale verrà riflessa lungo la linea. La proporzione della riflessione del segnale è definita dall'equazione (Zl-Z0/Zl+Z0).

Le riflessioni sono estremamente dannose per le prestazioni del circuito perché provocano distorsioni del segnale e modelli di onde stazionarie lungo la linea di trasmissione. Quando il segnale diventa distorto, la sua integrità viene compromessa, la qualità del segnale peggiora e i dati sul bus possono danneggiarsi. Se non si presta particolare attenzione agli effetti della linea di trasmissione, i circuiti ad alta velocità possono guastarsi completamente.

Per mitigare gli effetti delle riflessioni del segnale nei circuiti ad alta velocità, dobbiamo controllare le impedenze che il segnale incontrerà durante il nostro progetto.

L'adattamento dell'impedenza, o controllo dell'impedenza, è una tecnica nella progettazione di circuiti stampati (PCB) in cui si progettano selettivamente le tracce PCB in modo tale che le riflessioni del segnale siano ridotte al minimo.

Nella maggior parte dei casi, l'impedenza target per il segnale sarà definita dal protocollo e dalle parti che lo implementano. Ad esempio, l'USB richiede generalmente un'impedenza differenziale target di 90 ohm, mentre molti protocolli standard single-ended specificano 50 ohm come target.

Un progettista è in grado di controllare l'impedenza delle proprie tracce scegliendo giudiziosamente la geometria della traccia e abbinando tali dimensioni alle proprietà del materiale del substrato. Le principali variabili geometriche in questo caso sono la larghezza della traccia, lo spessore e la distanza dai piani di terra, che influiscono tutti direttamente sull'impedenza di un segnale. Altre variabili basate sui materiali includono proprietà del substrato come la costante dielettrica. In pratica, questi valori verranno determinati attraverso l'uso di un calcolatore PCB che spesso è esterno allo strumento di progettazione PCB.