יותר ויותר פריטים של ציוד וידאו הפועל בקצב גבוה משתמשים במחברי BNC קואקסיאליים גדולים יחסית. איכות המחברים בדרך כלל טובה, אך הביצועים שלהם תלויים בדרך התקנתם על המעגל המודפס. תכנון עיקבות המעגל של המחברים ללא אופטימיזציה יוצר אי–התאמות בעכבות [אימפדנס], בחזרות, בעיבוד אותות ופוגם בנאמנות האותות. המשימה של תכנון עיקבת המעגל מצויה בידי מתכנני הנחת הרכיבים ומהנדסי חומרה, אשר לא פעם אין להם את הזמן והכלים הדרושים. במאמר זה יוצג השימוש במתאם הכבלים LMH0384 ל–3G/HD/SD, דוחף הכבלים LMH0303 והתקן כניסות/יציאות ניתן לקונפיגורציה LMH0387 של National Semiconductor.
הסוגים של מחברי BNC
מחברי BNC שימושו בעבר עם כבלים קואקסיאליים של 75 אוהם. תמונות הווידאו שהועברו בקצב סטנדרטי (270 מגה סיביות בשנייה) שודרגו לקצב של רזולוציה גבוהה (1.845 ג’יגה סיביות בשנייה), וכיום אף ל–3 ג’יגה סיביות בשנייה. מחברי BNC חייבים לתמוך בקצב הזה ולשמור על הפסדי אותות מינימליים ועכבה של 75 אוהם, על מנת להקטין את ההחזרות למינימום.
מחברי BNC מסופקים בצורות מכניות שונות בהתקנה אנכית, בהתקנה בזווית ישרה או בהתקנה בקצה המעגל. חיבורי האותות יכולים להיות בהתקנה משטחית על פני המעגל או מולחמים בתוך חורים עוברים, כאשר האותות מועברים מצד המעגל הנגדי.
בדיקה של מחברי BNC
המחבר BNC הוא מחבר קואקסיאלי שנועד לתמוך בהעברת וידאו עד 3 ג’יגה סיביות בשנייה. ביצועיו נקבעים בעיקר מתוך המבנה הקואקסיאלי הפנימי שלו. המעבר מהמחבר למעגל המודפס משפיע במידה רבה על הביצועים. יש צורך בעיקבת מעגל מתוכננת היטב, כדי לשמור על רוחב הפס ועל העכבה האופיינית.
רפלקטומטר למישור הזמן [TDR] מאפשר בדיקה מהירה של הביצועים העצמיים של מבנה קואקסיאלי, ללא פין האות או עיקבת המעגל שלו. דרך פשוטה לביצוע מדידה כזו היא באמצעות חיבור אות מדרגה של הרפלקטומטר לתוך המחבר, כשפין האות שלו מקוצר לפיני הסיכוך בחיבור מתכתי שטוח. מדידת האות המוחזר תאפשר לרפלקטומטר לגזור את העכבה בזמן מעבר האות.
למחבר טוב של זווית ישרה (איור 4) יש מבנה אחיד עם עכבה אופיינית קבועה בתוכו. צריך לתכנן את עיקבת המעגל שלו כך שתשיג עכבה אופיינית זהה. מחבר סביר (איור 5) מראה אי–אחידות במבנה שלו כשהעכבה האופיינית מתחילה לרדת בכיפוף הזווית הישרה. אפשר לתכנן את עיקבת המעגל שלו עם עכבה גבוהה יותר במעט, במטרה לקזז את השינוי במחבר. למחבר BNC גרוע (איור 6) יש סימנים רבים של אי–אחידות במבנה הקואקסיאלי. במקרה זה תכנון עיקבת המעגל מהווה אתגר רציני.
בעיות נפוצות במעבר למעגל
לרוב מחברי BNC בהתקנה משטחית יש פיני אותות רחבים בקוטר 30-40 מיל’. להלחמה נאותה של פיני האותות יש צורך ברוחב של 50 מיל’, ולהקלת הניתוב אל מעגלים משולבים בעלי פינים רבים משתמשים בחיבורים ברוחב של 8-15 מיל’. מבט העל וחתך הרוחב של עיקבת המעגל של מחבר להתקנת קצה ללא אופטימיזציה (איור 7) מראים רצועת מיקרו ברוחב 12 מיל’ שמוצבת 15 מיל’ מעל משטח האדמה להשגת עכבה אופיינית של 75 אוהם. נקודות חיבור המחבר הן למעשה ברוחב 50 מיל’, ומשטח האדמה שמתחתם גורם לעכבה של החיבור להיות נמוכה באופן משמעותי מעכבת מוליך המעגל. בנקודת החיבור יש ירידה גדולה בעכבה שתשפיע על איכות האות ותוסיף קיבול פרזיטי שיקטין את רוחב הפס.
בציוד וידאו משתמשים בחיבור מחברי BNC בחור עובר, בשל קשיחות טובה בהתקנה. את המחברים האלו מתקינים בצד העליון של המעגל כשפיני האותות מולחמים בחורי מעבר רחבים למדי וניתוב האותות מתבצע בצד התחתון של המעגל. שכבת המתח והאדמה הפנימיות (איור 8) מבודדות מחורי המעבר כדי למנוע את קיצור האותות. הצורה הגלילית של החורים העוברים המצופים יוצרת השראות קטנה. משטח המתח הפנימי יוצר קיבול פרזיטי כלפי החורים העוברים שגודלו תלוי במרחק שביניהם. חור עובר גדול עם מרווח קטן יוצר קיבול גדול עם ירידה גדולה בעכבה. אם האות מנותב בצד המחבר, החור העובר יוצר קיבול פרזיטי גדול וירידה גדולה אף יותר בעכבה.
ההשפעה של חיבור אותות ללא אופטימיזציה
חברת SMPTE פרסמה תקנים ששולטים במעבר וידיאו ספרתי בכבלים קואקסיאליים. התקנים כוללים דרישות להפסדי החזרה של כניסות ויציאות (איור 9). מחבר BNC גרוע או עיקבת מעגל ללא אופטימיזציה יוצרים חוסר תיאום בעכבות, והעמידה בגבולות של הפסדי החזרה לפי SMPTE הופכת למאתגרת. חוסר תיאום רציני בעכבות גורם להחזרות שמשפיעות במידה חמורה על איכות האותות ומקטינות את שולי המתח או הזמן של עין הנתונים. קיבול פרזיטי חריג בחיבורי האותות מקטין את רוחב הפס של נתיב האות ויוצר הפרעת ריצוד [jitter] (איור 10).
אפשרויות הבחירה של מחברי BNC
הבחירה במחברי BNC נקבעת בראש ובראשונה לפי המבנה המכני ותאימות למארז הציוד. מבחינה חשמלית מחברי BNC אמורים לתמוך בהעברה של עד 3 ג’יגה סיביות/בשנייה עם מעט הפסדי מעבר. הם אמורים גם לשמור על עכבה אופיינית אחידה וקבועה למדי במנה הקואקסיאלי. עדיף שיהיו להם פיני אותות קטנים כדי שאפשר יהיה להשתמש בחורי המעבר או בנקודות החיבור הקטנים ביותר בתכנונים של עיקבת המעגל.
עיקבת מעגל שקופה – מחברי התקנה משטחית
עיקבת מעגל שקופה היא בעלת עכבה אופיינית זהה לזו של מחבר BNC ואין היא מוסיפה מאפיינים פרזיטיים משמעותיים, שמשפיעים על רוחב הפס. אחת השיטות היעילות היא לעבור לאורך נתיב האות, לחפש נקודות במעגל עם שינויים גיאומטריים שגורמים לסטייה מעכבת היעד, ולהפעיל אמצעים לשיקום העכבה.
במקרה של BNC להתקנה משטחית (איור 7), החיבור הגדול יוצר נפילת עכבה גדולה במיוחד. כדי להעלות את העכבה יש להשתמש בהפרדה דיאלקטרית גדולה (הרבה יותר מ–15 מיל’) שאינה אפשרית. דרך נוספת היא על ידי הורדה של הקיבול הפרזיטי באמצעות יצירת שחרור בשכבת מתח אחת או יותר שמתחת לחיבור. גודל פתח השחרור מתוכנן לספק קיבול שוליים שמספיק בדיוק לשיקום עכבת החיבור. עיקבת המעגל (איור 11) תלויה במיקום משטח האדמה הראשון ובמיקומם ומספרם של משטחי המתח.
עיקבת מעגל משופרת (איור 12) נוצרת על ידי יצירת שחרור גדול יותר בכל משטחי המתח והאדמה שמתחת לחיבור. העכבה האופיינית של החיבור עולה הרבה מעל 75 אוהם וכדי להחזירה ליעד אפשר להוסיף רצועות של פסי אדמה משני צדי החיבור. פסי האדמה מוצבים במרווחים מחושבים מראש, ובכך הם יוצרים צימוד אדמה שמספיק בדיוק להשגת העכבה הרצויה. יתרון נוסף של מבנה זה הוא שאין הוא תלוי בתכנון המעגל ואפשר למחזר אותו בתכנונים נוספים.
עיקבת מעגל שקופה – חורים עוברים
בחורים עוברים יש שני מבנים חור מצופה וחיבור יציאה. קוטר החור המצופה 30–50 מיל’ ונדרש מרווח גדול בשכבות המתח כדי לשמור על עכבה של 75 אוהם. גודל המרווח תלוי בקוטר החור ובמספר שכבות המתח. העכבה גדלה כשהמרווח גדל מאחר שהוא מאבד את ייחוס האדמה. רצועת מתכת קצרה החודרת לתוך המרווח מאפשרת להתגבר על הבעיה. הרצועה נחוצה עבור שכבת המתח הראשונה מעל חיבור היציאה התחתון ורוחבה פי 3–5 מרוחב החיבור. טכניקה נפוצה אחרת היא להרחיב את חיבור היציאה בתוך המרווח כדי להקטין את העכבה (איור 14).
שימוש בשתי רצועות אדמה בשכבת המתכת התחתונה משני צדי החיבור המורחב משפר את צימוד האדמה מאפשר בקרה על עכבת החור העובר ועל עכבת חיבור היציאה.
אופטימיזצית עיקבת המעגל של BNC
האופטימיזציה הטובה ביותר של עיקבת מעגל של BNC היא באמצעות הדמיות אלקטרומגנטיות תלת ממדיות. ההדמיה מתחילה בהכנסת מודל תלת ממדי לכלי ההדמיה. הדמיות במישור התדר מבטיחות את ההתאמה למטרות התכנון של הפסדי ההחזרה והמעבר. אפשר גם לבצע הדמיית TDR כדי לבחון את פרופיל העכבה של המחבר ועיקבת המעגל. ביצוע הדמיות אלו נעשה בצורה הטובה ביותר על ידי יצרנים של מחברי BNC, לאחר שיקבלו את המידע מהלקוחות שלהם, בהתבסס על הידע המלא שיש להם לגבי מודל המחבר. הדוגמה הבאה נמסרה באדיבות Samtec – יצרן המחבר.
בדיקת מחברי BNC עם MLH0387 של National Instruments
עיקבת המעגל מותאמת באופטימיזציה באמצעות כלי הדמיה תלת ממדי. סוגים מסוימים של מחברי BNC ועיקבות המעגל שלהם ממומשים במעגלי ההערכה LMH0387 שמאפשרים אימות הביצועים.
מעגל ההשוואה והדחיפה לכבלים בשבב יחיד – LMH0387 – מאפשר להשתמש בחיבור BNC אחד ככניסה או כיציאה. יש לו סיומת ורשת הפסד החזרה מובנים שמפצים על הקיבול של המעגל, שמפשטים את תכנון הנחת הרכיבים במעגלים מהירים. במעגל ההערכה (איור 19) LMH0387 מחובר למחבר דרך כבל צימוד ומוצב קרוב לחיבור BNC להשגת הפסד החזרה טוב, והחיבור ביניהם הוא של 75 אוהם. מדידות עכבה והפסד החזרה מבוצעות בנקודת חיבור BNC. פרופילי העכבות של המעגלים שבאיורים הנמדדים באמצעות TDR מוצגים באיורים הבאים.
מסקנות
במאמר זה הוצגו כמה טכניקות של עיקבת מעגל שקופה המיועדות לפתור בעיות עבור מחברי BNC. השימוש במחברים עם פיני אותות הקטנים ביותר מבטל את הצורך בתכנון מיוחד במעגל. עבור מחברים עם פיני אותות גדולים יותר, אפשר לתכנן עכבה מבוקרת להשגת ביצועים טובים. מעבר לאורך נתיב האות ובחינת מבנה המעגל מאפשרים לאתר השראויות וקיבולים פרזיטיים ולמצוא דרכים להקטינם. העקרונות המוצגים במעגל זה יכולים לשמש גם עבור עיקבות מעגל של רכיבים אחרים. כלי הדמיה אלקטרומגנטית תלת ממדית מסייעים למתכננים בקבלת ההחלטות לגבי הנחת הרכיבים והשגת יעדי ההתנהגות החשמלית. רפלקטומטר למישור הזמן מתאים לאיתור תקלות וזיהוי מקומות השינוי של העכבה.
*מאמר זה נמסר באדיבות סמטק.
