Dlaczego warto spowolnić cyfrowe linie za pomocą rezystorów?

Słyszałem, że czasami zaleca się „spowolnienie” linii cyfrowej poprzez umieszczenie na niej rezystora, powiedzmy rezystor 100 omów między wyjściem jednego układu a wejściem innego układu (załóżmy standardową logikę CMOS; załóżmy, że częstotliwość sygnalizacji jest dość wolna, powiedzmy 1-10 MHz). Opisane korzyści obejmują zmniejszenie EMI, zmniejszenie przesłuchu między liniami oraz zmniejszenie odbicia od ziemi lub spadków napięcia zasilania.

Zastanawiające jest w tym, że łączna ilość energii użytej do przełączenia wejścia wydaje się być nieco wyższa, jeśli istnieje rezystor. Wejście napędzanego układu jest równoważne kondensatorowi 3-5 pF (mniej więcej), a ładowanie go przez rezystor pobiera zarówno energię zgromadzoną na pojemności wejściowej (5 pF * (3 V) ² ) a energia tracona w rezystorze podczas przełączania (powiedzmy 10 ns * 3 (V) ² /100 ohm). Obliczenia z tyłu koperty pokazują, że energia rozproszona w rezystorze jest o rząd wielkości większa niż energia zmagazynowana w pojemności wejściowej. W jaki sposób konieczność silniejszego napędzania sygnału redukuje hałas?

Pomyśl o połączeniu PCB (lub drucie) między wyjściem a wejściem. Zasadniczo jest to antena lub grzejnik. Dodanie rezystora szeregowego ograniczy prąd szczytowy, gdy stan wyjściowy zmieni się - co spowoduje zmniejszenie generowanego przejściowego pola magnetycznego, a zatem zmniejszy sprzężenie z innymi częściami obwodu lub światem zewnętrznym.

Niechciane indukowane emf = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

„N” to jeden (obrót) w przypadku prostej interferencji między (powiedzmy) dwoma ścieżkami PCB.

Strumień ( ) jest wprost proporcjonalny do prądu, więc dodanie rezystora poprawia rzeczy z dwóch powodów; po pierwsze, prąd szczytowy (a stąd strumień szczytowy) jest zmniejszony, a po drugie, rezystor spowalnia tempo zmiany prądu (a zatem i tempo zmiany strumienia) i wyraźnie ma to bezpośredni wpływ na wielkość dowolnego indukowanego emf, ponieważ emf jest proporcjonalny do szybkości zmiany strumienia.$\Phi$

Następnie weź pod uwagę czas narastania napięcia na linii, gdy wzrasta rezystancja - czas narastania wydłuży się, co oznacza, że ​​sprzężenie pola elektrycznego z innymi obwodami zostanie zmniejszone. Wynika to z międzystopniowej pojemności błądzącej (pamiętając, że Q = CV):

$\dfrac{dq}{dt} = C\dfrac{dv}{dt} = I$

Jeżeli tempo zmiany napięcia maleje, to zmniejsza się również wpływ prądu wprowadzanego do innych obwodów (poprzez pojemność pasożytniczą).

Jeśli chodzi o argument energetyczny w twoim pytaniu, biorąc pod uwagę, że obwód wyjściowy ma nieuchronnie pewną rezystancję wyjściową, gdybyś zrobił matematykę i obliczył moc rozproszoną w tej rezystancji za każdym razem, gdy pojemność wejściowa była ładowana lub rozładowywana, zobaczyłbyś, że ta moc nie t zmienić, nawet jeśli zmieniła się wartość rezystora. Wiem, że to nie brzmi intuicyjnie, ale omawialiśmy już ten argument i spróbuję znaleźć pytanie i połączyć je, ponieważ jest interesujące.

Spróbuj tego pytania - jest to jedno z niewielu tematów, w jaki sposób energia jest tracona podczas ładowania kondensatorów. Jest jakiś nowszy, który spróbuję znaleźć.

Oto jest

Prawo określenie dla tej „spowolnić” cecha jest zabił stawka . Dodanie rezystora zmniejsza szybkość zabijania, tworząc dolnoprzepustowy filtr RC o pojemności wejściowej. Efekt takich rezystorów można zobaczyć na poniższym oscylogramie (zielona krzywa z wyższą prędkością narastania wytwarza znacznie więcej szumu):

Wspomniany wzrost zużycia energii w rzeczywistości nie jest rzeczywisty. Ładowanie kondensatora wymaga takiej samej ilości energii, niezależnie od tego, jak szybko go ładujesz. Wprowadzenie rezystora tylko uwidoczniło tę stratę energii, podczas gdy bez rezystora ta sama energia jest rozpraszana przez bramki wyjściowe CMOS.

Uproszczeniem jest myśleć o rezystorze jako o „spowalnianiu” linii, ponieważ tak naprawdę nie jest to po to, przynajmniej w szybkiej sygnalizacji, i wydaje się implikować, że należy zmniejszyć lub usunąć rezystor, jeśli chcesz Idź szybciej.

W rzeczywistości jest to zakończenie szeregowe linii przesyłowej reprezentowanej przez tor. Jako taka, jego wartość plus impedancja wyjściowa sterownika powinna być równa impedancji charakterystycznej toru.

Kiedy kierowca uruchamia krawędź w dół linii przez rezystor, podróżuje w dół do końca przy połowie napięcia końcowego (ponieważ istnieje impedancja utworzona przez impedancję źródła i impedancję ścieżki), a następnie jest odbijana na otwartej obwód reprezentowany na drugim końcu, który podwaja jego napięcie do pełnego poziomu. Odbicie wraca do źródła, w którym to punkcie jest kończone przez rezystor źródłowy (przez niską impedancję sterowników wyjściowych).

Tak więc drugi koniec ma ładną czystą krawędź, która może bezpiecznie wykorzystać jedno opóźnienie propagacji po wysłaniu (tj. Tak szybko, jak to możliwe), i nie ma zestawu odbić przesuwających się do tyłu i do przodu dla wielu czasów podróży w obie strony, które powoduje zakłócenia elektromagnetyczne / przesłuchy i opóźnienia.

Wadą jest to, że jeśli spojrzysz na środek linii, zobaczysz zabawny schodkowy przebieg, co oznacza, że ​​nie zawsze jest to odpowiednia technika dla łączy wielopunktowych. (Z pewnością nie zegary wielopunktowe)

Aktualizacja:

Dla wyjaśnienia, w tych sytuacjach najważniejszy jest czas narastania sygnału, a nie częstotliwość generowania krawędzi. W idealnym świecie zawsze mielibyście sterowniki, które miały prędkości krańcowe rozsądne dla częstotliwości, którą próbowaliście nadawać, ale obecnie często tak nie jest, a jeśli czas narastania sterownika jest krótki, należy pomyśleć o dzwonienie. Na linii danych może to nie mieć znaczenia (poza EMI), ponieważ wszystko zatrzyma się przed następną krawędzią zegara, ale na zegarze może to być katastrofa podwójnego taktowania, nawet jeśli jest to katastrofa, która zdarza się tylko milionowi razy na sekundę.

Howard Johnson uważa, że ​​powinieneś symulować cokolwiek dłuższego niż 1/6 czasu narastania, aby sprawdzić, czy potrzebujesz rozwiązania. Przy 1 ns czas narastania wynosi 150 ps, ​​czyli około cala. Inni ludzie twierdzą, że czas potrzebny na zakończenie wynosi 2 cale na nanosekundę czasu narastania.

konieczność kierowania sygnałem znacznie mocniej

Odwrotnie: siła napędu wyjścia cyfrowego jest stałą wielkością (*) na podstawie wielkości tranzystorów wyjściowych. Jeśli masz zbyt dużą siłę napędu, otrzymasz duży impuls krótkiego prądu. Rezystor zamienia to w dłuższy, bardziej płaski impuls. (Myślę, że obszar pod impulsem na wykresie czas-prąd jest stały, ale nie zrobiłem matematyki).

Im ostrzejszy jest twój puls, tym bardziej musisz uważać system za linię transmisyjną. Następnie rezystor pojawia się jako rezystor końcowy źródła.

(*) Możesz dostać niektóre urządzenia z przełączalną siłą napędu, ale to tylko oznacza, że ​​mają wiele tranzystorów wyjściowych na pin.