Điện trở đầu cuối trong thiết kế PCB
Các tín hiệu trong một trace không giống như các tín hiệu truyền qua một đường truyền — không đầu cuối đường truyền đúng cách và có nguy cơ tín hiệu của mình phản xạ trở lại bên nhận. Giống như sóng âm dội vào tường và tạo ra tiếng vang, tín hiệu phản xạ có thể dẫn đến biến dạng suy giảm, chập chờn và các hiện tượng khác dẫn đến giảm tính toàn vẹn của tín hiệu .
Cũng giống như các kỹ sư âm học có thể thiết kế các bức tường hấp thụ âm thanh và loại bỏ tiếng vọng không mong muốn, thì các kỹ sư điện cũng có thể đầu cuối (terminate) tín hiệu để loại bỏ phản xạ. Trong bài đăng này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn các điện trở đầu cuối/termination (đầu cuối) trong thiết kế PCB.
Phản xạ là gì?
Mặc dù thật dễ dàng để hình dung ra cách tạo ra tiếng vọng từ sóng âm thanh dội lại từ tường của một căn phòng, nhưng điều gì đang thực sự xảy ra khi tín hiệu RF phản xạ từ đầu cuối của một trace hoặc đường truyền? Câu trả lời là một trở kháng không phù hợp.
Trở kháng là tổng hợp của điện trở, độ tự cảm và điện dung của môi trường dẫn điện, nhưng sẽ hữu ích nếu coi nó là khả năng chống lại dòng điện khi đặt một điện áp nhất định. Giá trị quan trọng cần lưu ý là trở kháng đặc trưng của đường truyền.
Phản xạ xảy ra khi một tín hiệu truyền đi theo chiều dài của môi trường dẫn điện và gặp phải sự không phù hợp về trở kháng. Điều này có thể xảy ra do sự không hoàn hảo tự nhiên trong một trace, đường dây hoặc cáp. Thật dễ dàng để hình dung cách đứt cáp quang có thể dẫn đến phản xạ một phần tín hiệu ánh sáng trở lại nguồn.
Tuy nhiên, ngay cả khi không có điểm nào không hoàn hảo trong suốt chiều dài của đường truyền, các đầu cuối vẫn thể hiện sự không phù hợp về trở kháng rất lớn, bởi vì bản thân đường vật lý tự nó đầu cuối đột ngột. Lượng năng lượng của tín hiệu bị phản xạ có thể được tính toán từ sự không phù hợp trở kháng bằng cách sử dụng hệ số phản xạ.
Đây là nơi điện trở đầu cuối đi vào. Có thể tạo ra sự xuất hiện của một đường vô hạn bằng cách kết hợp với trở kháng đặc trưng của đường truyền tại các đầu cuối của thiết bị đầu cuối. Kết quả cuối cùng của việc chấm dứt trace của bạn bằng một điện trở phù hợp hoàn hảo là phản xạ 0%.
RF Termination hoạt động như thế nào?
Phần lớn đi dây trong thiết kế PCB có thể được coi là một bài tập về kết hợp trở kháng, nơi bạn cố gắng đảm bảo trở kháng đầu vào của tải điện phù hợp với trở kháng đầu ra của nguồn tín hiệu. Cách dễ nhất để duy trì các trở kháng này là thông qua việc bố trí các điện trở đầu cuối termination. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các loại termination khác nhau.
Parallel Termination (song song)
Là đặt một điện trở duy nhất từ trace tới GND hoặc VCC. Việc đầu cuối song song rất dễ thực hiện vì giá trị của điện trở thấp, bạn chỉ cần một linh kiện. Vấn đề chính duy nhất là tiêu tán điện năng qua đường dẫn dòng điện một chiều liên tục xuống đất. Sự tiêu tán công suất có thể cộng dồn trên một mạch khi bạn thêm nhiều trở đầu cuối cho nhiều tín hiệu.
Thevenin Termination
Một cách khác để hòa hợp tải và trở kháng trace là sử dụng hai điện trở cuối tải có sự kết hợp song song bằng trở kháng trace. Một điện trở kết nối với Vcc trong khi điện trở kia kết nối với đất, cung cấp một cặp kéo lên và kéo xuống cân bằng mức logic cao và thấp của nguồn phát. Biến thể này của đầu cuối song song cũng có thể hoạt động tốt trong các tải phân tán với chi phí là dòng điện rò rỉ liên tục từ Vcc xuống đất. Nó cũng có thể khó khăn để tìm sự kết hợp tối ưu của các giá trị điện trở cho một nguồn phát nhất định.
AC Termination
Tuy nhiên, một cách khác để phù hợp với trở kháng là thêm một tụ điện mắc nối tiếp với điện trở đầu cuối song song. Việc bổ sung tụ điện sẽ giảm thiểu các vấn đề về tiêu tán điện của các sơ đồ đầu cuối song song khác, chặn nhiễu tần số thấp và giảm thiểu hiện tượng phóng điện quá mức và thiếu điện áp. Chi phí bổ sung cho sơ đồ này là sự phức tạp khi cần tính toán hằng số thời gian RC của tụ điện.
Series Termination (nối tiếp)
Trong quá trình đầu cuối nối tiếp, bạn đặt điện trở gần phía nguồn phát để tăng trở kháng tại nguồn và ngăn phản xạ trở lại nguồn phát của trace. Giá trị điện trở được chọn sao cho tổng kết hợp của điện trở đầu cuối và đầu ra nguồn phát bằng trở kháng của trace. Trên mạch chusgn ta chỉ cần thêm một điện trở nối tiếp giữa bên phát – bên thu.
Phần mềm thiết kế PCB giúp kết hợp trở kháng dễ dàng hơn
Lỗi dữ liệu do phản xạ có nhiều khả năng xảy ra khi thời gian lan truyền phản xạ lại của tín hiệu bằng hoặc lớn hơn thời gian chuyển tiếp (tăng hoặc giảm) của nguồn phát. Trong bài đăng này, chúng tôi đã đề cập đến những điều cơ bản đằng sau việc sử dụng đầu cuối để ngăn chặn phản xạ trong mạch của bạn
Ngăn chặn sự phản xạ thông qua điện trở đầu cuối chỉ là một phần của một bài toán lớn hơn nhiều về việc loại bỏ nhiễu và cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu trong toàn bộ thiết kế PCB.
