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

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.

Например, при использовании полосковой линии передачи со скоростью распространения электромагнитной волны

V = 1,5х10 8 м/с

для импульса с длительностью фронта

t НАР= 1 нс

верхняя граница полосы пропускания линии f Ви длина волны 𝜆 будут иметь следующие значения:

f В= 0,35/t НАР= 350 МГц.

𝜆 = V/ f В= 0,43 м

𝜆/10 = 4,3 см

Следовательно, сосредоточенным в данном случае можно считать элемент с геометрической длиной не более 4,3 см.

Для импульса высокоскоростного интерфейса с длительностью фронта равной 100 пс сравнивать размеры элемента нужно уже со значением 4,3 мм. И в этом случае выводные конденсаторы и даже чип компоненты размерами от 0805 и более (от 2 до 20 мм) можно считать распределенными.