Моделирование режимов согласования линий передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/



Аннотация

Общая цель данной работы - провести исследование в области проектирования длинных согласованных линий передачи. Объектом исследования будет линия передачи с длинной 100 мм и волновым сопротивлением 50 Ом. В моем проекте были рассмотрены основные вопросы: как передавать сигнал, который характеризуется высокой помехоустойчивостью, низким уровнем шума и чрезвычайно высокими характеристиками. Отвечая на эти вопросы, я промоделировала два метода согласования линий передачи, которые могут обеспечить целостность сигнала. При создании модели линий передачи сигнала использовалась программа схемотехнического моделирования LTSpice. В результате был сделал анализ возникающих помех, и предложен способ их устранения.

Работа состоит из 38 стр. и включает в себя 31 иллюстраций, 1 таблицы и 15 источников литературы.



Absrtact

The general purpose of this work is to conduct research in the field of designing long matched transmission lines. The object of study will be a transmission line with a length of 100 mm and a wave impedance of 50 Ohms. My project addressed the main issues: how to transmit a signal that is characterized by high noise immunity, low noise emission and extremely high performance. In order to answer these questions, the following task was performed: to create models of two methods for matching transmission lines that can ensure signal integrity. The model was created in the circuit simulation program LTSpice. As a result, an analysis of the arising interference was made.

The work consists of 38 pages and includes 31 illustrations, 1 table and 15 literature sources.



Оглавление

• моделирование линия передача электрический
• Введение
• 1. Оценка текущей проблемы и выбор направления исследования в области моделирования режимов согласования линий передачи
• 1.1 Общая характеристика проблемы
• 1.2 Определение линии передачи
• 2. Методы расчета основных параметров линии передачи. Моделировании линии передачи в программе LTSpice
• 2.1 Параметры линии передач и методы их расчета
• 2.2 Понятие электрически длинной и короткой линии передачи
• 2.3 Помехи отражения в длинных линиях передачи
• 2.4 Технические варианты согласования
• 2.4.1 Параллельное согласование
• 2.4.2 Последовательное согласование
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

Основной тенденцией развития современной аппаратуры является постоянное улучшение таких качеств как быстродействие, минимизация, сложность интеграции в единые комплексы связи. Это все влияет на такие требования как: проектирование длинных линий передач, обеспечение электромагнитной совместимости и на целостности сигнала. [1]. Неправильный расчет этих требований может привести к временным и финансовым потерям на последующую доработку производимой электронной аппаратуры.

Данная работа выполняется с целью создания методики, которая призвана помочь конструкторам в проектировании высокочастотных соединений. Разработанный комплекс будет представлять собой по этапам описанный метод моделирования линии передачи. На сегодняшний день согласование линий передачи играет важную роль, так как требования к передаче данных по длинным линиям передачи растут. Предполагается, что методология, разработанная в данной работе, предотвратит ошибки конструкторов на ранних этапах разработки продукта.

В своей работе я буду рассматривать линию передачи, по которой будет передаваться высокочастотный цифровой сигнал. При создании модели линий передачи сигнала будет использована программа схемотехнического моделирования LTSpice. В результате я смоделирую эквивалентную схему линии электропередачи с источником сигнала, с помощью которой будет произведен анализ поведения высокочастотного сигнала.

Так как в моей работе основная цель предполагает разработку метода моделирования режимов согласования линий электропередачи, будут рассмотрены следующие вопросы:

• какие существуют типы линий передачи?

• почему важно учитывать согласования линии передачи?

• какие существуют методы согласования линии передачи?

Ответы на эти вопросы обеспечат некоторую ясность в рассматриваемых проблемах.



1. Оценка текущей проблемы и выбор направления исследования в области моделирования режимов согласования линий передачи

1.1 Общая характеристика проблемы

В последние годы идет бурное развитие современной аппаратуры, которая изготовлена по технологиям быстродействующих интерфейсов. Такая тенденция развития сказывается на способах передачи высокочастотных сигналов. Термин «высокое быстродействие» размыт, как правило, для линий передачи граница быстродействия начинается с частот 50 МГц [2, 3]. Для системы телекоммуникаций, требования особенно высоки, фронт сигнала должен составлять доли наносекунд, это соответствует частотам в сотни и тысячи мегагерц.

Из года в год растут требования разработки цифровой аппаратуры, уже на начало 2000 годов доля выпускаемой аппаратуры, работающей на частоте более 50%, достигла более 50% (рис. 1.) В современном мире главной проблемой всех производителей является высокая конкурентная борьба. Для производителей электронной аппаратуры гарантом надежности и безопасности эксплуатации аппаратуры в реальных условиях служат критерии ЭМС и ЦС, поэтому проблема обеспечения таких критериев выходит на новый уровень и становится основным показателем качества выпускаемой электроаппаратуры. Решением обеспечением ЭМС и ЦС служит улучшение параметром помехоустойчивости и помехозащищённости [45].



Рис. 1 Распределение проектируемых печатных плат по частотному диапазону на начало 2000 г

Это все ставит перед разработчиками новый ряд вопросов, связанных с помехозащищенностью, помехоустойчивостью, помехоэмиссией, ЭМС, целостностью сигнала. К сожалению, в отечественной литературе недостаточно информации для решения этих вопросов, а зарубежные источники часто бывают труднодоступны.

Исторически сложилось так, что конструкторы часто делают ошибки в расчете таких требований. Это может привести к временным и финансовым потерям, что, в свою очередь, может привести к последующему повторному выпуску промышленного электронного оборудования. Как следствие, разработчики не могут сосредоточиться на самой важной проблеме в своей работе.

1.2 Определение линии передачи

В низкочастотных интерфейсах электрокомпоненты соединены дорожками на плате. Сопротивление таких элементов достаточно низкое и не является значительным. По мере роста частоты увеличивается аспект проектирования и анализ схем. Высокочастотные сигналы требуют особого внимания, для их рассмотрения используется дополнительный термин - линия передачи.

Линия передачи - это совокупность прямых и возвратных проводников, которые расположены близко друг к другу, и имеющих единое электромагнитное поле, которое распространяется от источника к нагрузке [6]. Сумма возвратных и прямых токов одинаковая, но токи направлены в противоположном направлении.

Рис. 2 Элементарная модель линии передачи

На рисунке 2 представлена элементарная модель линии передачи, рассмотрим её более подробно. Из рисунка видно, что она состоит из последовательного соединения сопротивления R, которое характеризует активные потери в линии, индуктивности L, определяемой конструкцией линии и материалами, и параллельного соединения проводимости G, которая определяется утечкой в диэлектрическом материале, и емкостью С. Данные параметры являются первичными электрическими параметрами линии. На низких частотах используется более упрощенная модель линии передач, где параметрами R, G можно пренебречь. (рис. 3)

Рис. 3 Упрощенная модель линии передачи

Существует несколько типов линий передачи. Выбор линии определяется в зависимости от назначения и параметра системы, условиями работы и решающим образом зависит от используемого диапазона частот и передаваемой мощности. Конструкция линии без упругого и пластичного изгиба называется жесткой, в противном случае - гибкой.

Наиболее распространенные виды линий передачи для различных диапазонов длин волн представлены на рисунке 4.

Рис. 4 Типы линий передачи для различных диапазонов волн

Рассмотрим свойства и области применения некоторых из них.

Коаксиальные линии передачи. Коаксиальный кабель - является классическим примером линии передачи. Представляет собой два одинаковых цилиндрический проводника, вставленных друг в друга, основная волна является T-волна. Область применения такой линий охватывает волны длиной от 35 см до 10 м. Они используются в диапазонах от гектометровых до сантиметровых волн включительно. Современный телевизионный коаксиальный кабель обеспечен внутренним проводником из омеднённой стали, внутренним диэлектриком из вспененного полиэтилена и экранирован фольгой и стальной оплеткой. Потери на излучения практически отсутствуют благодаря совпадению центров обоих проводников [7]. Обеспечивается хорошая защищенность от внешних электромагнитных помех и передача данных на большие расстояния. Использовался в построение компьютерных сетей (пока не был вытеснен витой парой) и телевидения. Поперечные сечения наиболее распространенных на практике коаксиальных линий представлены на рисунке 5.

Рис. 5 Поперечные сечения коаксиальных линий передач

А) прямоугольного б) круглого

Витая пара. Витая пара - это вид кабеля, который представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой. Скручивание проводников выполняется для того, чтобы дополнительно защитить от электромагнитных помех, а также усилить связь между жилами, передающими общие дифференциальные сигналы [8].

На практике кабеля используются для передачи данных между сетевыми устройствами, в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве сетевого носителя. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения локальных сетей. На рисунке 6 изображен кабель из витых пар.

Рис. 6 Кабель из витых пар

Полосковые и микрополосковые линии передачи широко применяются для линий передач микросборок СВЧ и ДЦМ диапазонов. Именно на их использовании в интегральных и гибридных микросхемах основываются разработки широкого класса современных активных и пассивных узлов и устройств указанных диапазонов частот. Представляет собою параллельные металлические проводники и диэлектрические пластины [9].

К полосковым линия можно отнести симметричные, несимметричные, целевые и копланарные линии. Основной волной несимметричной и симметричной полосковых линий является T-волна. Н-волна является основной в щелевой и копланарной линиях. Поперечное сечение полосковых линий представлено на рисунке 7.

Рис. 7 Поперечное сечение полосковых линий передачи

а) несимметричная б) симметричная в) щелевая г) копланарная

Микрополосковая линия передачи представляет собой модификацию двухпроводной линии и выполняется из диэлектрической пластины, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость и малые потери. В качестве подложки используют кремний, ситал, сапфир, поликор. Вариантом подобных линий передач являются щелевые линии, представляющие собой щель, прорезанную на металлизированной поверхности подложки. На рисунке 8 представлены виды МПЛ (в поперечном сечение).

Рис. 8 Поперечное сечение МПЛ линий

Стоит понимать, что не каждое высокочастотное соединение является линией передачи. Это понятие характеризуется такими параметрами, как погонная емкость и индуктивность, волновое сопротивление, техникой согласования и рядом других параметров, которые будут рассмотрены в следующей главе.



2. Методы расчета основных параметров линии передачи. Моделировании линии передачи в программе LTSpice

2.1 Параметры линии передач и методы их расчета

Линия передачи характеризуются первичными и вторичными параметрами. К первым относят следующие параметры:

1) Погонное сопротивление R, Ом/м.

Зависит от проводимости материала проводов и качества диэлектрика, который окружает эти провода. Характеризуется активными потеря в линии, сопротивление равно сопротивлению скин-слоя на высоких частотах;

2) Проводимость G, 1/Ом м.

Определяется аналогично параметру R, чем меньше R, тем больше G

3) Индуктивность L, Гн/м;

Зависит от размера и формы поперечного сечения проводов и расстоянию между ними.

4) Электрическая емкость C, Ф/м.

Определяется аналогично параметру L;

Линия передачи сопоставима с линейным резистором, так как мгновенный ток в линии пропорционален напряжению. Когда электромагнитная волна проходит по линии передачи ее полное сопротивление подобно резистивной нагрузке.

Мгновенное полное сопротивление z определяется по формуле (2.1):

(2.1)

где С_l - емкость линии на единицу длины, пФ/м; V - скорость распространения волны в диэлектрике линии, м/с; v_с - скорость света в свободном пространстве, м/с; е_r - относительная диэлектрическая проницаемость материала линии.

Если полное сопротивление не изменено на протяжение всей длинны линии, то такая линия называется однородной. Мгновенное сопротивление этой линии будет называться волновым сопротивление Z. Это один из основных параметров линии передачи, которому стоит уделить большое внимание при проектирование печатных плат. Он зависит от таких параметров, как геометрия линии, толщина, свойства и размер проводника, толщины и свойства диэлектрика, расстояние между проводником и опорным слоем, но не зависит от длины линии и определяется аналогично (2.1) по формуле (2.2):

(2.2)

Значение волнового сопротивления зависит от вида линии передачи, для печатных плат в диапазоне от 40120 Ом, если это высокочастотная плата, то оно должно составлять 50 Ом, для коаксиальных кабелей 75 Ом, а для витой пары - 120 Ом.

В своей работе я буду рассматривать линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Почему именно 50 Ом, если можно реализовать другие значения волнового сопротивления?

Исторически сложилось так, что значение 50 Ом было принято, как стандарт кабелей связи, которые используются для передачи сообщений на больших расстояниях. Это не единственный фактор, не мало важным является и то, что значение Z = 50 Ом является компромиссом между быстродействием и помехозащищенностью узла. В высокоскоростных платах имеется большое количество параметров, которые зависят от волнового сопротивления. В таблице 1 приведен список некоторых из них.



Таблица 1

Выбор значения волнового сопротивления

Волновое сопротивление очень важный и значительный параметр, которым нельзя пренебречь при проектировании линий передачи. Он требует совместного обсуждения конструктора печатной платы и разработчика принципиальной схемы. Чтобы работа одного из них не оказалась бесполезной, нужно учесть согласование длинных линий на плате, с помощью одного из методов, например, установка согласующих резисторов. Стоит понимать, если при конструировании печатной платы, линия не будет иметь соответственного волнового сопротивления, то установка резисторов окажется бесполезной.

Рассчитаем параметры L_l и C_l для волнового сопротивления 50 Ом. Рассматриваемая мною плата состоит из материала FR4 (е_r = 4), следовательно, из формулы (2.2) получим (2.3):

(2.3)

Важную роль при проектировании линий передач играют следующие выражения:

(2.4)

где и - абсолютная магнитная и диэлектрическая проницаемость среды, _r и _r относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость, соответственно.

Соотношение (2.4) применимо для квазистатического приближения (при малых значениях сечения линии по сравнению с длинной волны). Оно зависит от диэлектрических и магнитных свойств материалов.

Данное выражение позволяет ограничиться знанием только методов расчета электрической ёмкости для определения важных параметров линии. Поскольку в окружении линий передачи не должно быть магнитных материалов, то _r = 1 и = ₀ = 1,256 мкГн/м; диэлектрические свойства известны = _0r и ₀ = 8,85 пФ/м. Следовательно, зная погонную емкость линии передачи, можно вычислить через ее индуктивность по формуле (2.5).

,

. (2.5)

Теперь воспользуемся формулой (2.6) для модели линии без потерь, которая используется для анализа целостности сигнала:

Ом

50,45 Ом (2.6)

Емкость линии передачи остается постоянной только в том случае, когда диэлектрический свойства изоляционных материалов не изменяются с частотой. Индуктивность начинает изменяться с частотой из-за скин-эффекта и эффекта близости. На низких частотах индуктивность контура максимальна и по мере повышения частоты снижается. Следовательно, можно ожидать уменьшение волнового сопротивления с частотой, но в конце концов оно достигнет постоянного значения на высокой частоте и будет неизменным. На частотах более 50 МГц волновое сопротивление становится «высокочастотным» и его часто используют в проектных решениях. Рассмотрим детально случай на высоких частотах, где начинает проявляться потери в линиях передачи.

2.2 Понятие электрически длинной и короткой линии передачи

Различают два вида линий передач - электрически короткие и электрически длинные. Очень важно уметь различать их, так как от этого зависит качество передачи сигнала. Каждый из видов имеет свою и режим работы, но не стоит путать погонную длину l, с электрической.

Воспользуемся анализом временной области, для того чтобы рассчитать длину своей линии передачи.

Рассмотрим распространение информационного сигнала по линии передачи. Время передачи сигнала от начала до конца выражается формулой (2.7):

(2.7)

где t_d - удельная задержка распространения сигнала в линии, нс/м, l - длина линии, м.

Это время, за которое электромагнитная волна достигнет конца линии. На выходе линии электромагнитная волна либо частично поглотиться нагрузкой, либо частично отразиться, в зависимости от значения сопротивления нагрузки. Через 2 t_dl к генератору придет отраженный импульс. Если приход отраженного сигнала совпал с окончанием фронта напряжения на драйвере, можно составить вполне справедливое соотношение (2.8):

(2.8)

где t_d - удельная задержка распространения сигнала, определяемая параметрами диэлектрической среды линии передачи, нс/м, l - погонная длина линии, м.

Из этой формулы можно вывести длину линии, которая будет называться критической и иметь следующие обозначение (2.9):

(2.9)

В своей работе я использую генератор, который вырабатывает перепад с длительностью фронта 0,1 нс. Линия передачи должна быть электрически длинной для самого большого фронта (1 нс). Линия останется электрически длинной и для более коротких фронтов. Исходя из этого условия моделируем линию на печатной плате с диэлектрическим материалом с относительной диэлектрической проницаемостью _r = 4.

Удельное время распространения сигнала определяется соотношением (2.10):

(2.10)

Следовательно, критическая длина волны равна:

(2.11)

Следовательно, если критическая длина линии передачи составляет 75 мм, то меньше это длинны нельзя брать. В своей работе я буду использовать длину 100 мм.

2.3 Помехи отражения в длинных линиях передачи

Стремление увеличить частоту передачи информации приводит к увеличению числа длинных линий передачи. Длинные линии часто бывают несогласованные, и в них могут присутствуют помехи отражения сигнала от нагрузок, которые изменяют форму сигнала и приводят к снижению быстродействия аппаратуры. Очень важно уметь правильно согласовывать линии, так как возможность снизить помехи, вызывает ряд других проблем, связанных с уменьшением мощности передаваемого сигнала, увеличению числу компонентов и т. п.

Существует три основных способа определения формы сигнала при наличии помех отражения:

1. Аналитический метод (расчет коэффициентов отражения).

2. Графический метод (метод характеристик).

3. Методом моделирования (в данной работе, расчет в программе LTSpice).

Зная параметры линии передачи, можно смоделировать обобщенную модель линии передачи. В своей работе я использовала программу LTSpice. Современные пакеты схемотехнического моделирования обладают достаточно большим количеством различных возможностей, но стоимость таких пакетов достаточна велика для большинства пользователей, а пакет LTSpice полностью доступен в бесплатном виде. Он относится к продуктам с достаточно хорошим рейтингом. Среди рынка схемотехнических программных систем сложно найти достойного конкурента, пожалуй, лишь система LTSpice способна претендовать на эту роль. Выбор этой программы обоснован следующими критериями: она дает возможность сделать электрические цепи с объединённой имитацией разнообразного моделирования. Программа позволяет оперативно изменять детали и параметры электронных схем, испытывать работоспособность новых вариантов, находить оптимальные решения [10, 11].

Система LTSpice сконструирована специально для моделирования импульсных систем питания, и отличается от других программ тем, что имеет особенную логику управления переключением, обеспечивая умеренное время построение модели. Так как в моей работе используется генератор, который вырабатывает только фронт сигнала, эта программа идеально подходит для моделирования перепада, потому что она позволяет смоделировать произвольную форму импульса. И самый важный критерий выбора этой программы является встроенная модель линии передачи с потерями. Программа позволяется настраивать параметры линии передачи и получать осциллограммы напряжений сигнала [12].

На рисунке 9 представлена схематическая модель линии передачи c заданными параметрами:

1) длинна линии len = 100 мм;

2) погонная индуктивность L=336 нГн/м;

3) погонная емкость C = 132 пФ/м.



Рис. 9 Обобщенная схемотехническая модель линии передачи

где V1 - генератор, вырабатывающий фронт длительностью 0.1 нс; R0 -выходное сопротивление генератора; Q1 - модель линии передачи с потерями; Ri - входное сопротивление микросхемы.

Поведение электромагнитной волны в длинной линии сильно отличается от распространения информационного сигнала в короткой линии. В несогласованных длинных линиях существуют падающие и отраженный волны (рис 10). Они влияют на исходных сигнал, видоизменяя его форму.

Рис. 10 Распространение сигнала в длинной линии и форма сигнала на нагрузке

Для анализа распространения волны очень важно уметь рассчитывать помехи отражения. Рассчитаем амплитуды падающих и отраженных волн математическим способом. Он подходит только для линейных нагрузок, что существенно ограничивает его в использование.

Амплитуда падающей волны V_f равна напряжению, поступающему на линию в первоначальный момент времени. Рассчитывается по формуле (2.12):

(2.12)

где V_drv - напряжение логической единицы генератора, Z - волновое сопротивление линии передачи. r₀ - выходное сопротивление генератора.

Амплитуда отраженной волны V_r зависит от коэффициента отражения:

(2.13)

Коэффициент отражения k_s в начале линии

(2.14)

Коэффициент отражения k_r в конце линии

(2.15)

Для моей линии расчет помех отражения проводится при следующих условиях:

· генератор вырабатывает скачок напряжения V_drv = 5 В;

· выходное сопротивление генератора r_o = 20 Ом;

· входное сопротивление микросхемы r_i = 1 МОм;

· волновое сопротивление линии Z = 50 Ом;

· длина линии l = 0,1 м,

· удельное время распространения сигнала t_d = 6,6 нс/м.

На рисунке 11 показан процесс прохождения электромагнитной волны по лнии передачи.

Рис. 11 Процесс прохождения ЭМ по линии передачи

1. Напряжение, поступающее на линию при t = 0:

2. Коэффициенты отражения: на входе линии:

Знак минус означает, что отраженная волна будет иметь противоположную фазу относительно падающей волны.

На выходе линии

3. Графическое пояснение расчета помех отражения (рис.12):

Рис. 12 Построение системы падающих и отраженных волн в линии передачи

На рисунке 13 представлен график напряжения на входе и выходе линии с рассчитанными амплитудами падающих и отраженных волн.



Рис. 13 Графики напряжений на входе и выходе линий передачи

На рисунке 12 показан расчет сигналов в начале и в конце линии. Как видно из рисунка, на вход линии поступает волна с амплитудой 3,57 В, за период Т волна доходит до несогласованной нагрузки и отражается с коэффициентом отражения = 1. Амплитуда отраженной волны 3,57 В. В результате суммирования амплитуды падающей волны и амплитуды отраженной волны, за период 2Т на выход линии поступает волна с амплитудой вдвое больше изначальной, а именно 7,14 В.

Тоже самое происходит и в начале линии. Из за отсутствия на входе согласующего резистора, волна отражается с коэффициентом = -0.43, и в результате на вход линии поступает электромагнитная волна с амплитудой равной сумме амплитуд отраженной и падающей волны 7,14 + (-1,53) = 5.61 В.

Вышеприведенный расчет является более точным и надежным методом вычисления амплитуд падающих и отраженных волн. Такой метод занимает долгое время и является очень трудоемким. С помощью программы LTSpice и схематической модели линии передачи (которая приведена выше) можно упростить способ расчета помех, для этого достаточно смоделировать эквивалентную схему линии передачи и построить графики напряжения на входе и входе линии (рис. 14).

Рис. 14 Расчет помех в программе LTSpice

Как мы видим из графика, амплитуда подающей волны 3,57 В. После отражения волны от нагрузки, амплитуды волн на выходе суммируются, волна возвращаясь обратно, отражаясь от несогласованной нагрузки на входе линии, распространяется уже амплитудой 5,61 В. Амплитуду можно измерить маркерами, значение в курсоре 1 и 2 соответствует значению амплитуд. (см. рисунок).

Рассмотрим два предельных способа нагрузки на конце линии - короткое замыкание и холостой ход.

Короткое замыкание между сигнальным и возвратным проводниками моделируется минимальным значением нагрузки на выходе линии, например, 0.001 мкОм (рис.15).



Рис. 15 Линия передачи в режиме короткого замыкания

Построим графики напряжения (рис.16):

Рис. 16 Осциллограммы напряжений при холостом ходе

На рисунке 16 синем цветом показан график напряжения на нагрузке, зеленым - падающая волна, красным - отраженная. Как видно из графика в режиме холостого хода напряжение на нагрузке равняется нолю. Это происходит, потому что отраженная волна по отношению к падающей имеет одинаковую амплитуду, но противоположный знак. Сумма этих амплитуд, оно же напряжение на нагрузки, равно 0 В.

Теперь рассмотрим противоположный случай, когда линия разомкнута на конце, то есть на выходе происходит разрыв или сопротивление нагрузки на несколько порядков превосходит значение волнового сопротивления. Зададим сопротивление нагрузки на конце линии максимально близкое к бесконечности, а именно 999 МОм (рис. 17).



Рис. 17 Линия передачи в режиме холостого хода

Построим графики напряжения (рис.18):

Рис. 18 Осциллограммы напряжений при холостом ходе

Проанализировав этот графики, можно сделать вывод о том, что в режиме холостого хода отраженная волна имеет туже фазу, что и падающая. Коэффициент отражения от дальнего конца равен +1. Вследствие наложения, падающего и отраженного сигналов, сигнал на выходе линии передачи (V(n003)) равен 7.14 В.

Таким образом, благодаря моделированию в LTSpice разработчики принципиальных схем могут наглядно увидеть характер распространения ЭМ в линии передачи, и при необходимости рассчитать амплитуды падающих и отраженных волн при появлении помех, а сэкономленное время потратить с пользой.



2.4 Технические варианты согласования

Основной способ борьбы с помехами отражения - согласование, таким образом при проектирование печатных плат и кабельных соединений проектировщик, в первую очередь, обязан учитывать согласование линий передач. На сегодняшний день согласование линий передач приобретает важную роль, так как растут требования прохождения данных по длинным линиям передачи. Согласование достигается путем равенства волнового сопротивления и нагрузки.

Существует несколько способов технической реализации согласования линии передачи, рассмотрим их более подробно. В качестве примера будем рассматривать двухточечную топологию, где одному приемному устройству соответствует одни драйвер. Для такой топологии существуют следующие базовые варианты согласования:

1. По входу и выходу линии.

2. Последовательно одиночными резисторами на входе линии.

3. Параллельно одиночным резистором на выходе линии.

Базовые варианты дополняются их разновидностью:

1. На выходе линии при помощи делителя напряжения.

2. На выходе линии по активной схеме.

3. На выходе линии при помощи RC-цепи.

Идеальный случай для линейных нагрузок, когда коэффициенты отражения на входе и выходе равны 0, а искажение сигнала отсутствует. Для нелинейных нагрузок коэффициенты отражения будут равны 0 только в некоторых точках диапазона изменения тока и напряжения. Электрически длинные линии обязательно должны быть согласованы, иначе несогласованные линии не гарантируют целостности сигнала и обладают значительным уровнем помехоэмиссии [13].

Разделяют два вида согласования: по входу и по выходу, если обеспечено устранение отражение хотя бы на одном конце, то помехи отражения минимальны.

Работа по обеспечению качественного согласования линии передачи сводится к комплексному решению разработчиков и конструкторов. Первые со своей стороны должны обеспечить резисторы с минимальным допуском, а вторую в свою очередь спроектировать линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом и задать допуск.

Важно понимать причины возникновения помех отражение, это позволит предотвратить их на раннем этапе проектирования выбрать наилучшую схему согласования и добиться минимальных искажений формы сигнала.

Полное согласование по входу и выходу подразумевают наличие согласующих резисторов на обоих концах линии. В идеальном случае, когда волновое сопротивление равняется сопротивлению нагрузки, отражение волн отсутствует, но в реальных условияx имеются погрешности в значение волнового сопротивления и резисторов, это и может вызвать коэффициент отражения k_r, который определяет амплитуду отражённой волны. При многократном отражении напряжение сигнала уменьшится, помехи отражения сведутся на нет. При технике согласования по входу и выходу линии требования к допускам на резисторы оптимальны.

2.4.1 Параллельное согласование

Самый простой способ согласования линии -- это установка согласующего резистора R₁ параллельно входному сопротивлению микросхемы R_i, на выходе линии (рис. 19).



Рис. 19 Модель линии передачи с параллельным согласованием

Условие выбора согласующего резистора определяется равенством (2.16):

Z = R₁ = 50 Ом. (2.16)

Проведем моделирование при разных значениях нагрузки R₁ в диапазоне от 30 до 70 Ом с шагом 10 Ом. Для того, чтобы увидеть, как изменяется характер распространения волны при разных значениях согласующего резистора, построим графики напряжения на входе и выходе линии. Длительность фронта будет равняться 0.1 нс.

1) R_{1 =} 30 Ом

Рис. 20 Осциллограммы напряжений при R_{1 =} 30 Ом

2) R_{1 =} 40 Ом



Рис. 21 Осциллограммы напряжений при R_{1 =} 40 Ом

3) R_{1 =} 50 Ом

Рис. 22 Осциллограммы напряжений при R_{1 =} 50 Ом

4) R_{1 =} 60 Ом

Рис. 23 Осциллограммы напряжений при R_{1 =} 60 Ом

5) R_{1 =} 70 Ом

Рис. 24 Осциллограммы напряжений при R_{1 =} 70 Ом

На графиках (рис. 2024) выше зеленым цветом обозначено напряжение на входе линии, синим цветом обозначено напряжение на выходе линии. На графиках можно наблюдать следующую ситуацию, при увеличении значения согласующего резистора на конце линии, помехи отражения уменьшаются, как только сопротивление нагрузки станет равным волновому сопротивлению форма сигнал не искажается (идеальный случай). Конечно, в реальных условиях при технологических погрешностях коэффициент отражения k_r будет отличен от 0, это вызовет отраженную волну, пропорционально k_r. Этот способ согласования подойдет для линий передач с максимально возможной точностью относительно волнового сопротивления и согласующего резистора, который должен быть с минимальными допусками 0.0050,1% [13].

2.4.2 Последовательное согласование

При последовательном согласовании или согласовании на стороне источника, последовательно выходному сопротивлению источника сигнала R_вых устанавливается согласующий резистор Rz сопротивление которого определяется следующим соотношением (2.17):

. (2.17)

При выполнении этого условия коэффициент отражения от конца линии будет равен нулю.

Линия передачи с последовательным согласованием в начале линии обладает следующими свойствами:

1. Половина напряжения передаваемого сигнала от генератора, падает на согласующем резисторе, вследствие чего на вход линии поступает только половинная амплитуда сигнала.

2. В режиме холостого хода напряжение на выходе источника вдвое больше, чем напряжение на входе линии передачи.

3. Отраженной сигнал возвращается на вход линии и поглощается согласующим резистором.

4. Выходной ток генератора I (V1) снижается до нуля и остается в положение ноль, до того, как на выходе генератора не появится следующий фронт сигнала. В быстродействующей цифровой аппаратуре предстоящий фронт сигнала покажется до того момента, как сигнал, отображенный от выхода линии, вернётся к источнику (рис. 25) [14, 15]

Рис. 25 Осциллограммы тока и напряжения при последовательном согласовании

Для типа микросхем, использующихся в моей работе, сопротивления выходного импеданса источника сигнала R_вых является постоянным и равно 20 Ом. При изменении значения сопротивления согласующего резистора R_z изменится сумма сопротивлений (R_вых + R_z) в начале линии и, следовательно, измениться и условия согласования R_вых + R_z = Z.

Построим графики для разных значений R_z, чтобы наглядно увидеть влияние допусков согласующего резистора на передачу сигнала по линии. Для этого создадим модель линии передачи согласованную на входе последовательно расположенными резисторами (рис. 26).



Рис. 26 Модель линии передачи с последовательным согласованием

Далее построим графики напряжения при разных значениях R_z в диапазоне от 20 до 40 Ом с шагом 5 Ом.

1) R_z = 20 Ом

Рис. 27 Осциллограммы напряжений при R_{z =} 20 Ом

2) R_z = 25 Ом

Рис. 28 Осциллограммы напряжений при R_{z =} 25 Ом

3) R_z = 30 Ом



Рис. 29 Осциллограммы напряжений при R_{z =} 30 Ом

4) R_z = 35 Ом

Рис. 30 Осциллограммы напряжений при Rz = 35 Ом

5) R_z = 40 Ом

Рис. 31 Осциллограммы напряжений при R_{z =} 40 Ом

Из графиков (рис. 2731) наглядно понятно, что даже при малейших отклонениях значения сопротивления согласующего резистора от допустимого, в линии появляются помехи. На входе сигнал искажен и имеет вид одной ступеньки, с длительностью равной времени пробега электромагнитной волны от начала до конца линии и обратно к началу.

При сумме выходного сопротивления генератора и согласующего резистора 50 Ом линия считается согласованной. Электромагнитная волна на несогласованном конце отразиться (так как входное сопротивление микросхемы много больше волнового сопротивления), достигнув начала линии, волна полностью поглотиться согласованной нагрузкой (рис. 29).



Заключение

Подводя итоги моей работы, хочется сделать несколько выводов.

Во-первых, изучая всю литературу, я убедилась в том, что существует очень мало информации в области проектирования быстродействующей цифровой аппаратуры. Нехватка таких знаний как: помехозащищённость, влияние паразитных емкостей, помехоэмиссия, ЭМС, целостность сигнала и ряд других понятий, связанных с передачей сигнала по длинным линиям, приводит к ошибкам проектирования быстродействующих интерфейсов. Многие разработчики приходят в замешательство, так как в отечественной литературе не хватает тех знаний, которые должны применяться на данном этапе разработки современной аппаратуры. Если не проводить исследования в области передачи высокочастотных сигналов по линиям передач, в последствие, это может привести к регрессу современной аппаратуры. Поэтому актуальность моей работы на сегодняшний день играет большую роль, что еще раз было доказано в главе 1.

Во - вторых, анализировав способы передачи информации, я сделала вывод о том, что с каждым годом частота передаваемых сигналов увеличивается, и линии, по которым осуществляется такая передача, уже являются не короткими, а длинными линиями передачи данных. Все это вынуждает конструкторов плат и разработчиков схем учитывать согласование длинных линий передач, для того чтобы минимизировать потери передачи данных. В следствие появляется необходимость в расчете возможно возникающих помех, что в свою очередь приводит к дополнительному времени на разработку устройств. В моей работе был проведет расчет помех аналитическим способом и предложен альтернативный вариант, который требует минимальных временных затрат.

В-третьих, был проведено моделирование длинной линии передачи с заданными параметрами, построены осциллограммы напряжений на входе и выходе линий с учетом помех. Выявлены причины влияния помех, представлены способы реализации согласования линий передач. Таким образом, работа, направленная на исследования методов моделирования линий передачи выполнена, и может быть рассмотрела в качестве учебного пособия проектирования длинных линий передач.



Список использованных источников

1 Кечиев Л.Н., Алешин А.В., Шнейдер В.И., Обеспечение целостности сигнала при проектировании печатных плат: Сборник докладов VIII НТК по ЭМС и электромагнитной безопасности. СПб.: ВИТУ, 2004.

2 Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. С. 15.

3 Медведев А.М. Технология производства печатных плат. М.: Техносфера, 2005.

4 Чермошенцев С. Ф. Электромагнитная совместимость печатных плат цифровых электронных средств. М.: Информационные технологии, 2001.

5 Наумов Ю. Е., Аваев Н. А., Бедрековский М. А. Помехоустойчивость устройств на интегральных логических схемах. М.: Сов. радио, 1975.

6 Collier, R. Index. Transmission Lines: Equivalent Circuits, Electromagnetic Theory, and Photons. The Cambridge RF and Microwave Engineering Series. 2013.

7 Heidi B., Jeff M., Mike R. Signal Integrity Tips and Techniques Using TDR, VNA and Modeling. Journal of Signal Integrity Tips and VNA Measurements, 2019. Available at: https://www.signalintegrityjournal.com/ (Accessed 18 February 2020).

8 Engr.Alumona T. L. Overview of Losses and Solutions In Power Transmission Lines. Network and Complex Systems. Vol.4, No.8, 2014

9 Bates R., Buttar C., Buytaert J., Eklund L. High speed electrical transmission line design and characterization. Journal of Instrumentation, 2017. URL: https://www.researchgate.net/journal/1748-0221_Journal_of_Instrumentation (дата обращения 01.02.2020).

10 Потапов Ю. Обзор САПР печатных плат. URL: http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200304/7.html (дата обращения 1.03.2020)

11 Володин В. LTSpice: компьютерное моделирование электронных схем. СПб.: ХВ-Петербург, 2010.

12 Тумковский С. Р. Сервер SPICE - первое знакомство: Учебное пособие. М.: МГИЭМ, 2001.

13 Кечиев Л.Н. Печатные платы и узлы гигабитной электроники. М.: Грифон, 2017.

14 Джонсон Г., Грэхем М. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006.

15 Джонсон Г., Грэхем М. Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2005.

Размещено на Allbest.ru