Андрей Трундов - Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Изменение напряжения из состояния логического нуля в состояние логической единицы (фронт) и наоборот (спад) в идеальном импульсе происходит за временной интервал с нулевым значением, в результате чего скорость изменения фронта/спада импульса стремится к бесконечности.

Рис. 7 Идеальный прямоугольный импульс напряжения

Данная математическая модель в реальности не достижима из-за наличия конечного выходного сопротивления источника сигнала R, суммарной емкости С передатчика, приемника и линии передачи.

Последовательно установленный в линию передачи резистор R и параллельно установленный конденсатор C вместе образуют фильтр нижних частот, подавляющий высокочастотные гармоники в спектре сигнала, что приводит к затягиванию фронта и спада импульса.

Заряд емкости C через сопротивление R происходит за время

t НАР= 2,2RC

То есть, на экране осциллографа при некоторой временной развертке мы увидим затягивание во времени фронта и спада импульса. И вместо прямоугольного импульса получится трапецеидальный импульс напряжения.

Рис. 8 Трапецеидальный импульс напряжения

Для увеличения «крутизны» или скорости нарастания фронта импульса в полосу пропускания линии передачи должно «войти» большее количество гармоник спектра сигнала.

Первоначальную форму импульса определяет схемотехника выходного каскада источника сигнала. С учетом характеристик линии передачи и входного каскада приемника форма импульса может быть искажена как в области фронта/спада, так и в области площадки. При прохождении через линию передачи импульс задерживается на некоторое время, что приводит к его сдвигу на временной оси.

Рис. 9 Искажения формы импульса из-за резонанса на АЧХ линии передачи

Пологий фронт говорит о спаде АЧХ тракта передачи в области верхних частот. Искажения на фронте или спаде импульса (нелинейность, выброс, колебательный процесс) свидетельствуют об отражении сигнала от неоднородности и возможных резонансах в области верхних частот. По периоду резонансного колебания T (расстояние между двумя соседними «горбами» или точками с одинаковой фазой) можно определить частоту резонанса

f = 1/T

Если уровень сигнала на входе приемника превышает порог логической единицы, приемник распознает его как «единицу».

Если уровень сигнала на входе приемника ниже уровня логической единицы, приемник распознает его как «нуль».

Рис. 10 Пороги срабатывания приемника

Для стандарта КМОП уровень логической единицы соответствует значению 70% от уровня максимального напряжения на выходе источника сигнала (2,2—2,4 В и выше при напряжении питания 3,3 В). Уровень логического нуля соответствует значению 30% от уровня максимального напряжения (0—1,0 В).

Если сигнал на входе приемника имеет немонотонный (нелинейный) фронт или спад, он может несколько раз пересекать пороги срабатывания приемника, что приведет к появлению ложных сигналов на его выходе. Именно поэтому монотонность фронта/спада импульса является одной из важнейших характеристик.

Рис. 11 Ложное срабатывание приемника из-за нелинейного фронта импульса

В частотной области сигнал представляется спектром амплитуд или спектром мощности – распределением его энергии по оси частот.

Для однозначного представления сигнала в частотной области импульс прямоугольной (трапецеидальной) формы при помощи ряда Фурье может быть представлен геометрической суммой (рядом) синусоидальных сигналов с разными коэффициентами. Такие синусоидальные сигналы называют гармониками или спектральными составляющими сигнала.

Преобразование Фурье позволяет перенести информацию о параметрах импульса из временной области (форма сигнала) в частотную область (спектр сигнала).

Обратное преобразование обеспечивает «перенос информации» о параметрах импульса из частотной области во временную область.

Рис. 12 Форма импульса при сложении первых пяти гармоник

Проще говоря, энергия прямоугольного импульса может быть представлена спектром гармоник, распределенных по кратным частотам. Нарушение количества энергии гармонических составляющих на разных частотах приведет к искажению первоначальной формы сигнала на временной оси.

Верно и обратное утверждение – изменение формы сигнала влияет на перераспределение энергии гармонических составляющих в его спектре.

Энергия прямоугольного импульса распределена по нечетным гармоникам. Для других сигналов спектр будет иметь другой вид. Важно понять, что основной вклад в энергию и форму сигнала вносят ряд первых гармоник. Обычно учитывают от пяти до десяти гармоник. Ограничивая полосу пропускания линии передачи можно предотвратить появление резонансов на высших частотах за пределами основного спектра гармоник, что позволит улучшить электромагнитную совместимость устройств.

Для определения минимальной ширины полосы частот линии передачи, необходимой для неискаженной передачи одиночного импульса с заданным временем нарастания фронта t нар, можно использовать соотношение

f В= 0,35/t НАР

,где f В – верхняя частота полосы пропускания.

Резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы в различных сочетаниях образуют простейшие электрические схемы – фильтры, резонансные колебательные контуры.

Пассивные элементы называют сосредоточенными, если их размеры много меньше (более чем в 10 раз) длины волны для максимальной частоты спектра сигнала, передаваемого в линии.

С ростом частоты размеры катушек индуктивности и конденсаторов, распределенных в линии передачи, становятся соизмеримы с длиной волны. В этом случае пассивные элементы называют распределенными.

Отсутствуя в линии передачи в явном виде, распределенные конденсаторы и индуктивности полностью определяют ее реальные характеристики.