Thiết kế mạch high speed – Phần 5: Trở kháng

Trong khuôn khổ nội dung thiết kế mạch high speed phần 5, tôi sẽ rẽ nhánh một chút khái niệm cơ bản về phối hợp trở kháng. Nó là điều rất rất cơ bản và cũng rất quan trọng trong quá trình thiết kế mạch high speed.

Nội dung sẽ nói khái niệm và nguyên tắc cơ bản nhằm mục đích áp dụng vào quá trình thiết kế mạch high speed. Nhưng nội dung, hàn lâm, chuyên sâu vui lòng tham khảo thêm các nguồn tài liệu nghiên cứu. https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching hay https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21796367/back-to-basics-impedance-matching-part-1

Chắc hẳn các bạn đã đọc qua Thiết kế mạch high speed – Phần 4, tôi cảm ơn bạn vì điều đó cũng rất mong nó mạng lại được một chút kiến thức bé nhỏ cho bạn. Trong phần 5 này sẽ khó hiểu hơn một chút vì thực sự tôi không giỏi trình bày, tuy nhiên nó lại rất dễ áp dụng vào quá trình thiết kế.

Phối hợp trở kháng là gì?

Chơi truyền bóng với một đứa trẻ khiến tôi liên tưởng đến tín hiệu truyền đi trên PCB. Ném bóng cho trẻ nhỏ rất khó phải vừa đủ tốc độ địa điểm, lực chuyền để trẻ kịp thời xử lý thao tác đón bóng. Hầu hết trong quá trình chơi chúng ta không hề để ý quá nhiều với việc đẩy bóng đi vì nó quá đơn giản với bộ não người lớn tuy nhiên với trẻ nhỏ thì nó lại là một điều khó khăn hơn rất nhiều, để việc đón bóng đơn giản hơn với trẻ chúng ta cần điều chỉnh tốc độ, lực, hướng truyền bóng đừa đủ để trẻ đáp ứng kịp.

Việc thiết kế PCB cũng sẽ tương tự như thế, tín hiệu cũng cần đến đúng lúc và đúng mục tiêu cho dù đã vạch ra vị trí các mục tiêu nhưng những yếu tố vật lý luôn làm ảnh hưởng đến mục tiêu ấy.

Vậy impedance controlled hay còn gọi là điều khiển trở kháng là quá trình làm một đường truyền có những thuộc tính như những đường trở kháng. Nó cần thiết để phối hợp trở kháng của tải với nguồn hoặc trở kháng nội của nguồn phát.

Tại sao cần phối hợp trở kháng

Khi thiết kế với tần số cao chũng ta phải thật cẩn thận với những nguyên tắc cơ bản. Các mạch số tốc độ cao đòi hỏi các trở kháng được điều khiển rất ổn định bởi ảnh hưởng bởi EMI khả năng làm biến dạng xung, phản xạ,… làm lỗi bit dữ liệu, clock làm dữ liệu truyền đi bị sai.

Hoạt động của mạch phục thuộc vào trở kháng phù hợp với bộ điều khiển hoặc khả năng truyền tín hiệu từ nguồn tới tải, trở kháng trực tiếp nếu không được xử lý chính xác thì có tác động tiêu cực đến hiệu xuất của mạch. Nếu không có phối hợp trở kháng thích hợp, năng lượng phản xạ có thể tồn tại dọc theo đường dẫn từ nguồn tới tải.

Năng lượng phản xạ dạng sóng trong các đường tốc độ cao trộn lẫn với các tín hiệu truyền đi tạo thành nhiễu giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Khi ấy chất lượng tín hiệu bị ảnh hưởng rất nhiều. Nếu bạn thắc mắc tại sao lại có phản xạ ở đây thì các bạn có thể đọc lại phần 1

Áp dụng như thế nào vào thiết kế PCB

Trên đây là lý thuyết sẽ là không đủ nếu các bạn chỉ đọc ở đây, các bạn có thể tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nữa.

Bất kể kích thước nào của PCB, các đường mạch đều có thuộc tính Zo đại diện cho trở kháng không đổi của một đường truyền không có sóng phản xạ. Nó là lý tưởng. Khi một mạch truyền tính hiệu đến tản, sóng phản xạ truyền trở lại nguồn và trở kháng đầu vào của đường truyền thay đổi khi có thêm sóng phản xạ.

Mục tiêu của chúng ta là phối hợp trở kháng làm sao cho trở kháng tải giống như trở kháng nguồn. Để đạt được hiệu quả truyền tín hiệu chúng ta cần đạt một mục tiêu Zo = 50 ohm tại các điểm trên đường truyền.

Trong phần sau mình sẽ chia sẻ cách tính toán thông số đường dây để đưa vào thiết kế.