Согласование цифровых линий. Согласование и конфигурация линии связи. Согласование на входе линии

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии

а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю:

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (2.1), (2.2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Цели согласования

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

увеличение электрической прочности линии;

увеличение КПД линии;

устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.

Влияние согласования на КПД линии рассмотрено выше (см. с. 30) и проиллюстрировано на рис. 1.21. Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения |Г|.

Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к Kсв на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.

Если в конце линии включено сопротивление нагрузки, равное волновому:

то, обращаясь к формулам (18-23), находим, что

(18-48)

т. е. отраженная волна не возникает Такую нагрузку называют согласованной нагрузкой или нагрузкой без отражения.

При этом, как следует из (18-47), коэффициент отражения

Из написанных выше соотношений с учетом (18-48) получим:

(18-49)

Отсюда следует:

(18-51)

т. е. для любой точки линии отношение комплексов равно волновому сопротивлению Поэтому режим работы генератора, питающего такую линию, не изменится, если в любом сечении линии ее разрезать и вместо отрезанной части линии включить волновое сопротивление. Режим работы оставшегося участка линии также не изменится.

Из соотношения (18-31) следует, что для согласованной линии входное сопротивление равно волновому

Полагая начальную фазу напряжения в конце линии равной нулю, т. е. запишем на основании (18-49) и (18-50) мгновенные значения напряжения и тока в любой точке линии:

Полученные соотношения изображены на рис. 18-9. Точки пересечения оси абсцисс с кривыми напряжения и тока сдвинуты на расстояние причем согласно сказанному в § 18-5 величина g отрицательна. Поэтому, применяя термины, справедливые, строго говоря, только для синусоидальных величин, можно сказать, что ток опережает по фазе напряжение на угол Напряжение и ток в различных точках линии различаются не только по амплитуде, но и по фазе.

Мощность, проходящая через какое-нибудь сечение линии,

(18-53)

Эта мощность уменьшается по мере удаления от начала, так как на каждом элементе длины линии поглощается мощность

равная сумме потерь в сопротивлении проводов и в проводимости изоляции на элементе линии Равенство средней и правой частей соотношения (18-54) можно показать после преобразований. Для этого следует в средней его части заменить их значениями из равенств (18-49), (18-50), (18-27), (18-10) и (18-11), выразив предварительно через по известной формуле

Мощность, передаваемая по согласованной линии, называется естественной или натуральной мощностью. Режим передачи естественной мощности может иметь место в линиях, если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению Средние значения естественной мощности для линий 500, 400, 220, 110 и 35 кВ соответственно равны 3 МВт. Отсюда видно, как сильно увеличивается естественная передаваемая мощность с увеличением напряжения линии.

Мощность, получаемая линией,

Линия называется идеально согласованной с нагрузкой , если в ней отсутствуют отраженные волны. Однако при передаче по цепи СВЧ сигналов, занимающих определенную полосу частот обеспечить идеальное согласование линии с нагрузкой во всей требуемой полосе частот практически невозможно. Поэтому при проектировании задают допустимый уровень рассогласования в требуемой полосе частот , Этот уровень определяют величиной Гдоп или КБВдоп так, чтобы при выполнялось соотношение или . Линии, в которых выполняются эти неравенства, называются согласованными с нагрузкой. Интервал частот Δf называют полосой согласования. Иногда говорят об относительной полосе согласования Δf отн=Δf / f 0, где f 0 = (f1+f2)/2.Эту величину можно вычислять в процентах: Δf отн %= Δf отн 100%.

Параметры Гдоп и КБВдоп зависят от назначения и условий работы линии. Например, в линии передачи, соединяющей радиовещательный длинноволновый передатчик с передающей антенной, стараются обеспечить симметричную относительно несущей частоты амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) коэффициента отражения в полосе Δf отн%=10% при КБВдоп≈0,8...0,9.. Нарушение этих требований приводит к недопустимым нелинейным искажениям передаваемого сигнала. В спутниковых системах связи, работающих в сантиметровом диапазоне волн, высокая степень согласования (КБВдоп≈0,95) необходима для обеспечения электромагнитной совместимости одновременно работающих стволов (каналов).

Рис. 3.14. Схема согласования произвольной нагрузки Z нс линией

Рассмотрим схему согласования произвольной нагрузки Z нс линией (рис. 3.14). Согласующее устройство должно устранить отраженную от нагрузки волну. Эту задачу можно решить двумя способами: либо поглотить отраженную волну в согласующем устройстве (при этом падающая волна должна проходить через устройство без заметного затухания), либо погасить (компенсировать) волну, отраженную от нагрузки, волной, отраженной от согласующего устройства. Во втором случае нужно, чтобы амплитуды волн напряжений, отраженных от нагрузки и от согласующего устройства, были равны, а их фазы отличались на π .Первый метод согласования основан на применении либо мостовых схем, либо невзаимных ферритовых устройств: вентилей или циркуляторов.

Отметим, что поглощение вентилем отраженной волны не зависит от характера нагрузки, вызвавшей эту волну. Поэтому создание вентилей и циркуляторов, работающих в широкой полосе частот, решает задачу широкополосного согласования произвольных нагрузок. Недостатком согласования с помощью вентилей и циркуляторов является более низкий КПД по сравнению с согласующими схемами, использующими второй метод согласования, что связано с тем, что мощность, переносимая отраженной волной, полностью рассеивается в вентиле. Согласующие устройства, основанные на методе компенсации, состоят из реактивных элементов и при соответствующем выполнении практически не вносят потерь. При этом отраженная от нагрузки волна не поглощается, а отражается согласующим устройством обратно к нагрузке, где переносимая ею мощность частично поступает в нагрузку, а частично опять отражается в сторону согласующего устройства. В результате подобных многократных отражений вся мощность, переносимая падающей волной по линии, поступает в нагрузку.

Различают согласующие схемы, обеспечивающие узкополосное и широкополосное согласование нагрузки с линией передачи.

Тема 2 СОГЛАСОВАНИЕ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ СВЧ

Согласование линий передачи (фидеров) необходимо для подавления отраженных от нагрузки волн. Условием этого является равенство полного сопротивления нагрузки и волнового сопротивления линии передачи:

В случае полного согласования всех элементов фидера и питающего генератора в линии передачи отраженная волна отсутствует (режим бегущей волны), коэффициент отражения Г = 0, а коэффициент стоячей волны = 1.

Если нагрузка не согласована с линией передачи, возникает ряд нежелательных эффектов:

1) изменяется частота и мощность генератора из-за эффекта затягивания;

2) уменьшается мощность P Н, поступающая в нагрузку

4) уменьшается широкополосность передающего тракта;

5) увеличиваются активные потери в линии передачи.

Из сказанного выше ясно, что обеспечение согласования в линии передачи является одной из наиболее распространенных и важных задач техники СВЧ.

Для получения согласования произвольной нагрузки Z Н с линией передачи вблизи от нагрузки должен быть включен согласующий четырехполюсник (рис. 7). Назначением этого четырехполюсника является преобразование сопротивления Z 22 = Z Л в сопротивление Z 11 = Z Л, т.е. обеспечение в линии режима бегущей волны

Рисунок 7 - Пояснение принципа согласования с помощью четырехполюсника А

Существующие способы согласования линий передач можно разделить на три группы в зависимости от характера согласуемых сопротивлений.

Первый способ - согласование только активных составляющих полных сопротивлений, т.е. достижение условия (2) при выполненном (3).

Второй способ согласования сопротивлений применяют, если реактивные сопротивления нагрузки и линии передачи неравны, т.е. условие (3) не выполнено.

Третий способ согласования применяется в случае неравенства как активных, так и реактивных сопротивлений нагрузки и линии.

Выравнивание активных составляющих полных сопротивлений чаще всего необходимо при соединении линий передач с разными волновыми сопротивлениями. Основными типами высокочастотных согласующих устройств для согласования активных сопротивлений являются четвертьволновые трансформаторы сопротивлений, а также ступенчатые и плавные переходы.

Четвертьволновый трансформатор - это отрезок линии или волновода длиной четверть волны l в, имеющий определенное волновое сопротивление Z в = Z ВС и включаемый между согласуемыми активными сопротивлениями (элементами линии передачи) ZB 1 и ZB 2 . Волновое сопротивление трансформатора подбирается таким, чтобы создавались два равных по амплитуде сигнала на его входе и выходе. Поскольку длина трансформатора l в / 4, то отражения на входе компенсируются отражениями, возникающими на его выходе. Это возможно, если четвертьволновой трансформатор имеет сопротивление Z ВС , равное среднему геометрическому из согласуемых сопротивлений ZB 1 и ZB 2:

(6)

Четвертьволновый трансформатор является узкополосным согласующим устройством: при отклонении длины волны от среднего значения электрическая длина трансформатора уже не равна l в / 4. Волны в основном фидере становятся смешанными, а входное сопротивление самого фидера - комплексным.

Для решения задачи широкополосного согласования активных cопротивлений применяют ступенчатые переходы - трансформаторы, представляющие собой каскадное соединение четвертьволновых трансформаторов (ступенек) с различными волновыми сопротивлениями (рис. 8).

Рисунок 8 - Ступенчатые переходы прямоугольного волновода (а ) и коаксиальной линии (б )

Рассмотрим переход, составленный из двух последовательно включенных трансформаторов длиной l в / 4 каждый (рис. 9). Их волновые сопротивления подбирают с таким расчетом, чтобы от сечений a-a" и b-b" волны отражались с одинаковой амплитудой, а от сечения c-c" - c вдвое большей амплитудой. Поскольку волна от a-a" до b-b" и обратно проходит путь 2l 0 / 2=l 0 , то волны U" и U"" , отраженные от a-a" и b-b" совпадают по фазе и складываются. Вместе с тем они полностью компенсируются волной U", отраженной от сечения c-c" , так как путь от a-a" до c-c" и обратно равен 2l 0 / 4 = l 0 / 2, что соответствует сдвигу по фазе 180° .

Для улучшения характеристик ступенчатого перехода скачки волновых сопротивлений отдельных ступенек делаются различными в соответствии с определенными законами: чаще всего пропорционально коэффициентам бинома Ньютона (биномиальные переходы) или пропорционально полиномам Чебышева (чебышевские переходы).

Рисунок 9 - Согласование сопротивлений ступенчатых переходов

Сущность согласования при помощи плавных переходов заключается в постепенном изменении геометрических размеров линии передач. Плавные переходы как бы содержат бесконечно большое число ступенек n при длине каждой из них (D l ® 0). Называются такие плавные переходы экспоненциальным, линейным или чебышевским трансформатором в зависимости от того, по какому из этих законов изменяется волновое сопротивление линии по длине перехода.

Одним из наиболее распространенных устройств для сопряжения фидеров различных видов с преобразованием волны одного типа в другой является коаксиально-волноводный переход , примеры конструкций которого показаны на рис. 10. Они применяются для подключения к волноводным устройствам коаксиальных кабелей или других коаксиальных устройств, во вращающихся соединениях и т.д. Действие этих переходов основано на возбуждении отрезка волновода электрическим или магнитным излучателем, служащим элементом связи между коаксиальным и прямоугольными волноводами. При этом Т-волна в коаксиальном волноводе трансформируется в волну типа H 10 в прямоугольном волноводе.

В конструкциях переходов согласование осуществляют с помощью выбора места расположения и геометрических размеров возбуждающего устройства и с помощью согласующих элементов в виде короткозамкнутых настраиваемых (рис. 10, а ) или ненастраиваемых (рис. 10, б , в ) отрезков линий, ступенчатых переходов (рис. 10, г ) и др.

Рисунок 10 - Примеры конструкций коаксиально-волноводных переходов

Переходы одного типа волновода в другой, например прямоугольного в круглый, H-образный или др., осуществляются плавным изменением формы и размеров поперечного сечения, приводящим к постепенному изменению структуры электромагнитного поля.

Согласование реактивных составляющих полных сопротивлений достигается введением в линию компенсирующего реактивного сопротивления, равного по величине и противоположного по знаку реактивному сопротивлению нагрузки. Наиболее распространенными реактивными компенсирующими устройствами являются штыри, диафрагмы и шлейфы. Сопротивление каждого из них имеет индуктивный или емкостной характер.

Реактивный штырь представляет собой металлический, обычно медный стержень, помещенный в волновод (рис. 11). Штырь можно располагать или вблизи узкой стенки, или вводить его через среднюю часть широкой стенки. Эквивалентная схема штыря в волноводе без учета активных потерь представляет собой реактивную проводимость iB , шунтирующую линию с волновой проводимостью Y 0 .

Рисунок 11 - Волноводный реактивный штырь (а ) и его эквивалентная схема (б )

При малой глубине l < l в /4 преобладает емкостная составляющая B С , так как короткий металлический стержень, направленный вдоль линий электрического поля, увеличивает местное электрическое поле и действует как местная эквивалентная емкость.

При l = l в /4 имеет место резонанс последовательного типа (B C = B L ). Проводимость в этом случае обращается в бесконечность, что соответствует короткому замыканию, и волна в волноводе полностью отражается.

Наконец, при l > l в /4 преобладает индуктивная составляющая B L . Энергия поля такого штыря определяется протекающим по нему током, т.е. является энергией магнитного поля.

Для компенсации неоднородностей в волноводных передающих линиях, когда к ним не предъявляются требования большой широкополосности, применяются диафрагмы.

Волноводные диафрагмы представляют собой тонкие металлические пластины, частично перекрывающие волновод. Эквивалентная схема бесконечно тонкой диафрагмы представляет собой реактивную проводимость, шунтирующую линию передачи.

Пластины, cвободные края которых перпендикулярны линиям электрического поля, образуют емкостные диафрагмы (рис. 12 а).

Рисунок 12 - Диафрагмы в волноводе

Концентрация зарядов на краях такой диафрагмы приводит к накоплению энергии электрического поля, что аналогично действию конденсатора, шунтирующего линию передачи.

Индуктивные диафрагмы образованы пластинами, свободные края которых параллельны линиям электрического поля основного типа волны (рис. 12 б). Действие такой диафрагмы основано на концентрации магнитного поля, что эквивалентно индуктивности, шунтирующей линии передачи. Сочетание индуктивной и емкостной диафрагм позволяет осуществить резонансную диафрагму (резонансное окно), эквивалентная схема которой представляет собой параллельный колебательный контур (рис. 12 в).

Роль реактивности в волноводных линиях передачи может выполнять реактивный шлейф - короткозамкнутый или разомкнутый отрезки линий передач различной длины. Конструктивно короткозамкнутый реактивный шлейф представляет собой жесткое механическое соединение под углом 90° двух отрезков волноводных линий передачи, один из которых замкнут подвижным короткозамкнутым поршнем, обеспечивающим возможность получения переменных значений входной реактивности, а другой обеспечивает возможность включения шлейфов в СВЧ тракт.

При решении задачи согласования полных сопротивлений нагрузки и линии передачи используются указанные компенсирующие устройства, а также устройства, поглощающие отраженные волны, и трансформаторы полных сопротивлений.

Метод поглощения отраженной волны основан на включении перед согласуемым устройством поглощающего четырехполюсника, не вносящего дополнительных отражений - аттенюаторов и невзаимных ослабителей (ферритовых вентилей).

Пластинчатый диэлектрический трансформатор , конструкция которого приведена на рис. 13, состоит из волновода 1 прямоугольного сечения, где установлены две диэлектрические пластины 2 длиной l 1 ~ l" в /4 (где l" в - длина волны в волноводе, заполненном диэлектриком). С помощью стержней, проходящих через продольную щель в широкой стенке волновода, пластины можно перемещать относительно друг друга, меняя размер l 2 , и передвигать совместно в направлении z относительно волновода; если шайбы сдвинуть вместе, то участок волновода, заполненный диэлектриком, будет иметь длину l" в /2 и, следовательно, диэлектрик не возмущает линию, и трансформация сопротивлений при этом отсутствует.

Рисунок 13 - Схема пластинчатого диэлектрического трансформатора полных сопротивлений:

1 - волновод, 2- диэлектрические пластины.

Если же расстояние между пластинами сделать l" в /4, то такая система будет иметь максимальный КСВ, приблизительно равный квадрату относительной диэлектрической проницаемости e r . Перемещая пластины вдоль волновода, можно при этом получить любую фазу отраженной волны и, значит, скомпенсировать имеющиеся отражения волны в диапазоне, определяемом r mах .

Одношлейфовые и пластинчатые трансформаторы используются обычно на низком уровне мощности, так как наличие шлейфов или диэлектрических пластин уменьшает электрическую прочность этих устройств.

Пластинчатый трансформатор включается в волноводную линию между нагрузкой и генератором. Волна, распространяющаяся по волноводу, прежде чем достигнуть нагрузки проходит через кварцевые пластины с весьма малыми потерями. От каждой плоскости раздела между кварцем и воздухом происходит отражение волны.

Результирующий КСВ перед первой пластинкой определяется значением КСВ нагрузки и системы пластинок, а также расстоянием между нагрузкой и пластинками, которое определяет фазу каждой из отраженных волн. Если фазы волн, отраженных от нагрузки и системы пластинок, противоположны, а их КСВ равны, то до трансформатора в волноводе имеет место чисто бегущая волна, т.е. полное согласование сопротивления нагрузки с волноводом.

КСВ системы пластинок зависит от значения КСВ каждой из них и расстояния между ними. Поэтому с целью расширения диапазона согласуемых нагрузок величина КСВ, обусловленного одной пластиной, сделана наибольшей. Это достигнуто выбором ширины пластинки вдоль оси волновода, равной l" в /4 , где l" в - длина волны на участке волновода, заполненном кварцем. При этом общий КСВ пластинки равен квадрату КСВ одной из ее сторон. Изменяя расстояние между пластинками, можно регулировать величину КСВ всей системы от единицы до максимума, равного приблизительно квадрату КСВ каждой из пластинок. Передвигая всю систему пластинок вдоль волновода, подбирают такое их положение, при котором волна, отраженная от пластинок, окажется в противофазе с волной, отраженной от нагрузки.

Каждая пластинка представляет собой четвертьволновый трансформатор сопротивлений (рис. 14).

Рисунок 14 - К пояснению принципа действия пластинчатого диэлектрического трансформатора полных сопротивлений

Длина диэлектрической пластинки l 1 определяется по формуле:

(7)

где l в - длина волны в волноводе; e/e 0 = 3,8 - относительная диэлектрическая проницаемость кварца. Волновое сопротивление в месте расположения кварцевых пластинок Z тр меньше волнового сопротивления волновода на участках с воздушным заполнением Z 1 в раз. Если расстояние между пластиками l 2 = 0, то обе пластинки образуют сплошную полуволновую линию, имеющую в начале и в конце одинаковое по величине волновое сопротивление Z 1 . То же самое получается при l 2 = l в / 2. Наибольший коэффициент трансформации получается при l 2 = l в / 4.

Если волноводная линия согласована, то входное сопротивление трансформатора в сечении a-a" равно волновому сопротивлению волновода Z 1 . Так как все три участка согласующего устройства при l 2 = l в / 2 являются четвертьволновыми, то волновое сопротивление:

(или (e /e 0) 2 для обратного направления распространения волны).

Трансформатор с пластинками из кварца имеет максимальную величину коэффициента трансформации, равную 14,5. Такая его величина обычно является достаточной для согласования волновых сопротивлений, поскольку КСВ несогласованных волноводных линий крайне редко превышает значение 15.

В этом разделе мы обсудим, какие бывают варианты согласования высокочастотных сигналов на печатной плате. Как показано в разделе , согласование сигналов крайне необходимо практически в любой современной цифровой схеме. И решение этой проблемы возлагается не только на разработчика схемы, но и на конструктора печатной платы. Именно от него зависит, насколько грамотно будут решены все вопросы согласования линий передачи.

Какова должна быть структура печатной платы? В каких слоях разводить критические сигналы, а в каких разместить планы земли и питания? Где должен стоять согласующий резистор? Как он должен быть подключен к выводу микросхемы и к опорному плану? Задача инженера-конструктора — перед началом проектирования платы получить полное описание требований к схемам согласования сигналов и качественно реализовать эти требования при проектировании печатной платы.
Вопросы, поднятые в данной статье, хорошо знакомы разработчикам-схемотехникам, но часто становятся камнем преткновения при взаимодействии с конструктором ПП и приводят к сложностям при необходимости внятно изложить подобные требования в техническом задании на разработку печатной платы. Надеемся, что наша публикация поможет снять эти барьеры.

Виды согласования линий передачи
«Классические» ВЧ-линии передачи данных (рис. 1) согласуются и на стороне источника, и на стороне приемника сигнала (нагрузки) с помощью «терминирующих» резисторов величиной Z 0 (равных по величине характеристическому сопротивлению линии). Как правило, источник и/или приемник имеет соответствующее собственное выходное/входное сопротивление. Хотя эта технология является идеальной и во многих случаях единственно допустимой, она вдвое уменьшает величину принимаемого сигнала. Поэтому большинство аналоговых и цифровых схемных решений использует другой вариант — низкоомный источник и высокоомный приемник сигнала, с согласованием линии только на одном конце, что позволяет сохранить исходный уровень сигнала на приемном конце.

Специалисты по СВЧ-технике часто применяют реактивные компоненты или даже длину проводника как элемент согласования, однако согласование широкополосных аналоговых и цифровых сигналов требует соответствующих резисторов, причем желательно SMD, вследствие их хороших ВЧ-свойств.
Чтобы оптимально использовать терминирующие резисторы, они должны быть подсоединены к опорным планам с посредством «низкоиндуктивной» технологии так, как показано на рис. 2.
На рис. 1 представлены типовые схемы согла сования линий передачи. Классическая схема согласования по-прежнему часто используется для передачи высокоскоростных сигналов, например по бэкплейнам (соединительным панелям).

Последовательное согласование
Если сигнал распространяется только по печатной плате, может быть задействована схема последовательного согласования на передающем конце линии, с выбором такого согласующего резистора, что в последовательном соединении с сопротивлением выхода получится значение, равное Z 0 линии. Преимущество этого метода — в малой потребляемой мощности, и он более всего подходит для линий с одной нагрузкой на удаленном конце. Если по длине линии имеются дополнительные нагрузки, на них может наблюдаться «ложное переключение из-за отраженной волны» и может потребоваться искусственное замедление быстродействия входов для предотвращения ложного срабатывания.

Параллельное согласование
Параллельное согласование (или «шунт») на дальнем конце линии используется в случае, если есть ряд устройств, подключенных на всем протяжении линии передачи, при этом они должны быть очень быстрыми, что может приводить к «случайному переключению».
Согласующий резистор на рис. 1 показан подключенным к плану «земли», но для некоторых семейств микросхем логики это может быть другой опорный план питания (например, положительное питание для семейства ECL). Параллельное согласование ведет к гораздо большему потреблению, а также может чрезмерно нагружать выходы микросхем.
Альтернативные виды параллельного согласования — схема Тевенина и схема RC. Схема Тевенина использует резисторы, параллельное сопротивление которых дает Z 0 , а их значения таковы, что постоянное напряжение в средней точке примерно равно среднему напряжению в линии, чтобы снизить потребление. Схема Тевенина требует корректного выполнения развязки планов питания во всей используемой частотной области, поэтому поблизости от линии следует располагать соответствующие развязывающие конденсаторы.
Схема RC использует, как правило, терминирующий конденсатор величиной от 10 до 620 pF и выполняет согласование только для высоких частот. Вследствие сложностей с применением конденсаторов в широком частотном диапазоне, схемы RC менее эффективны, чем параллельное согласование и согласование по схеме Тевенина.
Схема «активного согласования» использует источник питания для поддержания уровня напряжения на «дополнительном» опорном плане на требуемом уровне, совпадающем со средним значением цифровых сигналов. Параллельный терминирующий резистор подключается к этому плану, который должен быть корректно развязан для заданного частотного диапазона. Электрически эквивалентная схеме Тевенина может уменьшить потребление при использовании источника опорного напряжения, работающего в классе AB (способного как отдавать, так и потреблять ток).

Двунаправленная линия
Если линия передачи двунаправленная, оптимальным местом расположения терминирующего резистора (последовательного или параллельного) является середина линии. Поэтому такие линии должны быть по возможности выполнены как наиболее короткие, они не могут работать на максимальной скорости, на которой способны работать сами микросхемы. Вместо последовательного согласования в середине линии применяются последовательные согласующие резисторы на выходе каждого из возможных передатчиков, но это может не дать хороших результатов с точки зрения целостности сигналов, если только эти линии не очень коротки. Параллельное согласование на обоих концах может дать очень хороший эффект и обеспечивает более высокие скорости передачи, однако передатчики должны быть способны работать на нагрузку с меньшим сопротивлением, к тому же возрастает потребление схемы в целом. Параллельное согласование (или схема Тевенина, или схема активного согласования) на обоих концах используется в последовательных или параллельных шинах данных, таких как SCSI и Ethernet.

Конфигурация «звезда»
Если несколько последовательно-согласованных линий передачи соединены в одну точку «звездой», то:
- либо используют один терминирующий резистор, выбранный так, чтобы общее сопротивление источника было равно параллельной комбинации всех линий, соединенных звездой;
- либо используют согласующий резистор в каждой линии.
Второе решение лучше.
Звездообразная конфигурация может быть использована и для соединения нескольких параллельно-согласованных линий. В любом случае источник должен быть в состоянии работать на параллельную комбинацию сопротивлений всех подключенных линий.
В общем случае лучше выбирать большее значение Z 0 для уменьшения сигнальных токов и снижения излучения от проводников. Многие обычные микросхемы семейств CMOS или TTL не были изначально предназначены для работы на линию передачи и не имеют ни достаточной выходной мощности, ни выходного сопротивления, идентичного для высокого и низкого уровня выходного сигнала. Такие микросхемы в принципе иногда можно использовать, подключая по схеме последовательного согласования, а также по схемам Тевенина, RC-согласования или активного согласования в линиях с высоким импедансом, однако предсказать оптимальное значение импеданса и оптимальную схему включения для каждого вида микросхем практически невозможно.
Тем не менее многие современные микросхемы созданы специально для работы на линию передачи, и широкий спектр доступных устройств типа LVDS и т. п. упрощает задачу формирования синхросигналов (стробов, «клоков») и работы сшинами данных, а также уменьшает сложности с ЭМС. Микросхемы драйверов (передатчиков) для шин данных могут иметь выходное сопротивление 25 Ом - это предоставляет возможность подключать «звездой» четыре отдельных линии с импедансом 100 Ом или шесть линий с импедансом 150 Ом. Некоторые типы драйверов имеют встроенный DC/DC-преобразователь, что позволяет им генерировать удвоенный уровень выходного сигнала относительно стандартного логического уровня и тем самым при подключении в классической схеме согласования обеспечить стандартный уровень сигнала на входе приемника.

Структура слоев печатной платы
В предыдущей статье мы показали, что для критических высокоскоростных сигналов важно расположение рядом с ними опорного плана. Посмотрим, как может выглядеть типовая структура печатной платы с учетом этого требования.
Четырехслойная печатная плата часто имеет следующую структуру:
1) Микрополосковые линии передачи и другие критические сигналы.
2) Опорный план GND.
3) План питания.
4) Некритические сигналы.
Примечание: хорошей практикой для обеспечения ЭМС является повышение взаимной емкости планов «земли» и питания путем минимизации толщины диэлектрика между ними (в данном случае между слоем 2 и 3) до 0,15-0,1 мм, что существенно улучшает показатели развязки схемы по питанию. Однако это требование противоречит сложившейся на сегодняшний день традиционной схеме прессования «фольга-препрег-ядро-препрег-фольга», где толщина препрега не может превышать 0,3 мм. В таком случае при толщине платы 1,6 мм толщина ядра (расстояние между слоем 2 и 3) может быть 1,2, 1,0 или 0,8 мм, не менее. Если уменьшение расстояния между планами питания является критичным, возможно использование структуры «ядро-препрег-ядро», но для современных производств ПП данное решение становится менее технологичным и более дорогим.
Если для реализации схемы нужно больше сигнальных слоев, могут потребоваться дополнительные планы GND. Высокочастотные сигналы, проведенные в соседних слоях, должны быть разведены под углом 90° в одном слое относительно другого. Заметим, что сигналы синхронизации («клок»), высокоскоростные шины данных и другие критические сигналы не должны менять слой при разводке.
Вот один из вариантов структуры восьмислойной платы:
1) План GND.
2) Наиболее критичные сигналы, «смещенные полосковые линии».
3) Наиболее критичные сигналы, «смещенные полосковые линии», разводка выполнена под углом 90° относительно слоя 2 для уменьшения перекрестных наводок.
4) План GND.
5) План питания.
6) Некритические сигналы.
7) Некритические сигналы и некритические «смещенные полосковые линии», разводка выполнена под углом 90° относительно слоя 6 для уменьшения перекрестных наводок.
8) План GND.

Буферизация также является хорошим способом для снижения нагрузки в линии передачи. Например, если имеется десять дочерних плат, и на каждой десять микросхем, принимающих один и тот же сигнал, общая емкость нагрузки может достигать 400 пФ. Сигнал и токи возврата имеют очень длинный и разветвленный путь распространения, что повышает вероятность возникновения проблем с ЭМС. Буферизация сигнала на каждой плате снизит эту суммарную емкость до 40 пФ при том, что сигнал и токи возврата от десяти микросхем, расположенных на каждой плате, теперь протекают только по этой плате, тем самым улучшая целостность сигналов и уменьшая проблемы ЭМС.
Для скоростных сигналов, передаваемых по бэкплейну на дочерние платы, важно сохранять единую физическую структуру линии передачи. Так, полосковые линии на дочерних платах должны быть продолжены как полосковые линии на соединительной плате. Если на дочерней плате сигнал распространяется относительно опорного плана питания, при переходе на бэкплейн и далее на другие платы он должен продолжать распространение относительно того же плана. Заметим, что в принципе допускается смена вида линии передачи, при сохранении значения волнового сопротивления, однако это приведет к некоторой деградации в целостности сигнала.
Подключение планов «земли» и планов питания через разъемы должно осуществляться множеством контактов, идеально - по всей длине разъема. Иногда бывает целесообразно подключать к разъему выводы «земли» (возвратного тока), сигналов и планов питания в шахматном порядке, например, GND, сигнал 1, +5 В, сигнал 2, GND, сигнал 3, … и т. д.

Изоляция высокоскоростных областей на соединительных платах
Ранее мы говорили, что высокоскоростные микросхемы должны быть расположены в середине выделенных областей на печатной плате, далеко отстоящих от края платы, от краев опорных планов питания и от разъемов. Система, показанная на рис. 3, предлагает размещать наиболее быстрые микросхемы вблизи разъемов и не учитывает вышеуказанные требования.
Использование такой системы требует выполнения высокочастотного подключения опорных планов на соединительной плате к соответствующим планам на дочерних платах так, чтобы для наиболее высокочастотных составляющих сигнала не возникало разрыва в волновом сопротивлении. В такой ситуации могут помочь экранированные разъемы - их экраны должны состыковываться с ответными частями по окружности на 360°, а также должны быть подсоединенными по всей длине разъема к опорному плану GND как на дочерней плате, так и на соединительной плате. Независимо от того, используется ли экранированный или неэкранированный разъем, для каждого сигнального провода и каждого вывода питания на разъеме должен присутствовать вывод цепи возвратного тока GND и эти выводы должны быть расположены равномерно по всей длине разъема. Разъемы с согласованным импедансом, как правило, уже содержат вывод возвратного тока на каждый сигнальный вывод.
Важно обеспечить расположение высокоскоростных сигналов ближе к середине разъема и не допускать их прохождения близко к краю платы или соединительной платы.

Заключение
Мы рассмотрели типовые схемы согласования высокоскоростных сигналов и шин передачи данных с точки зрения конструирования печатных плат. Были обсуждены варианты трассировки шин данных, возможности буферизации сигналов. Будем рады, если приведенная информация поможет инженерам-схемотехникам во взаимодействии с инженерами-конструкторами печатных плат.

Литература
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.