Перейти к содержанию

Критическая длина линии

Короткую дорожку можно разводить как угодно, длинную — уже нельзя: на ней появляются отражения и звон. Граница между ними зависит не от частоты сигнала, а от длительности его фронта.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Критическая длина линии — длина дорожки или кабеля, начиная с которой сигнал нельзя считать мгновенно одинаковым по всей длине: отражения от конца линии становятся заметны и требуют согласования. Короче этой длины дорожка ведёт себя как провод, длиннее — как линия передачи.

Правило фронта

AN-807 показывает, что происходит при разной длительности фронта tr относительно задержки линии τ: при фронте много короче τ на конце видны ступеньки, при 2τ они становятся треугольниками, а при 3τ, 4τ и больше звон всё меньше, и линию можно считать обычным проводом. Отсюда правило, на котором построены рекомендации по разводке логических семейств (TI AN-807, разд. 13):

τ=l⋅tpd≤tr3⇒lкр=tr3 tpd\tau = l \cdot t_{pd} \le \frac{t_r}{3} \quad\Rightarrow\quad l_{кр} = \frac{t_r}{3\,t_{pd}}

где tpd — задержка на единицу длины. AN-807 называет отношение tr/τ от 3:1 до 4:1. Но и при 3τ выброс не исчезает совсем, просто становится допустимым.

Примеры

СигналФронтЗадержкаКритическая длина
ТТЛ (пример AN-807)8 нс (0–100 %)1,7 нс/футоколо 18 дюймов, 46 см
Фронт 2 нс, микрополосок FR-42 нс5,8 пс/ммоколо 11 см
Фронт 1 нс, микрополосок FR-41 нс5,8 пс/ммоколо 6 см
STM32F103, MODE = 11до 5 нс5,8 пс/ммдо 29 см

Первая строка — по AN-807, задержки FR-4 — по SCAA082A (табл. 2), фронт STM32F103 — по DS5319 (табл. 38), остальное — наш расчёт. Время нарастания в даташите обычно задают по уровням 10–90 %, а AN-807 считает линейный фронт от 0 до 100 % — TI в примере ТТЛ пересчитывает 6 нс в 8 нс. Даташит ограничивает фронт только сверху: реальный фронт с малой нагрузкой короче, и граница ближе. Задержку своей дорожки посчитает калькулятор задержки.

Другие ориентиры

TI в рекомендациях по ЭМС даёт границу через длину волны: длина дорожки становится важной с 1/10 длины волны по нормам FCC, с 1/20–1/30 по военным и уже с 1/50 для автомобильной и бытовой техники на двухслойных платах; там же — практическое правило согласовывать дорожки длиннее фута (TI SZZA009, разд. 2.4.2–2.4.3).

Если линия длиннее критической, её согласуют — для выхода микроконтроллера обычно последовательным резистором — или замедляют фронт, выбрав медленный режим выхода. Без согласования к задержке распространения добавляется ещё около 0,5·tr, пока сигнал не перейдёт порог (AN-807, разд. 13). Подробнее — в статье «Целостность сигналов».

Частые вопросы

Как посчитать критическую длину дорожки?

Разделить длительность фронта на 3 и на задержку дорожки на единицу длины. Для микрополоска на FR-4 задержка около 5,8 пс/мм: фронт 2 нс даёт 2000/3/5,8 ≈ 115 мм, фронт 1 нс — около 57 мм (наш расчёт по правилу TI). Длиннее этого дорожку считают линией передачи и согласуют.

Почему важен фронт, а не частота?

Потому что отражения возникают на перепадах. Сигнал 1 МГц с фронтом 1 нс отражается так же, как 100-мегагерцовый с тем же фронтом: если фронт короче нескольких задержек линии, отражённые волны не успевают слиться с ним. Частота влияет лишь на то, как часто это происходит.

Можно ли не согласовывать линию, а замедлить фронт?

Да, и это часто самый простой выход. У STM32F103 выход в режиме 50 МГц даёт фронт до 5 нс, а режимы 10 и 2 МГц — до 25 и 125 нс. Если скорость не нужна, медленный режим выхода убирает проблему без резисторов и заодно снижает излучение.

Источники

  1. Texas Instruments (National Semiconductor). AN-807 Reflections: Computations and Waveforms (SNLA027B, May 2004) — разд. 13: при фронте много короче τ — ступеньки, при 2τ — треугольники, с ростом tr/τ звон уменьшается и линию можно считать проводом; правила разводки логических семейств — tr/τ от 3:1 до 4:1; пример ТТЛ: 6 нс по 10–90 %, 8 нс по 0–100 %, 1,7 нс/фут, tr = 3τ — около 18 дюймов; без согласования добавляется около 0,5·tr задержки
  2. Texas Instruments. PCB Design Guidelines For Reduced EMI (SZZA009, November 1999) — разд. 2.4.2: длина дорожки становится важной при 1/10 длины волны по нормам FCC, 1/20–1/30 по военным, 1/50 для автомобильных и бытовых двухслойных плат; разд. 2.4.3: согласование нужно, если дорожка длиннее фута
  3. Texas Instruments. High-Speed Layout Guidelines (SCAA082A, revised August 2017) — табл. 2: микрополосок на FR-4 — 581,7 пс на 100 мм, полосковая линия — 715,3 пс на 100 мм
  4. STMicroelectronics. STM32F103x8/xB datasheet (DS5319 Rev 20) — табл. 38: фронт выхода при MODE = 11 (50 МГц) — не больше 5 нс при 30 пФ; MODE = 01 — 25 нс, MODE = 10 — 125 нс при 50 пФ

Нашли ошибку?

Смотрите также