Perché è buono rallentare le linee digitali con resistori?

Ho sentito che a volte si consiglia di "rallentare" una linea digitale inserendo un resistore su di esso, diciamo un resistore da 100 ohm tra l'uscita di un chip e l'ingresso di un altro chip (si supponga la logica CMOS standard; si supponga che la velocità di segnalazione è piuttosto lenta, diciamo 1-10 MHz). I vantaggi descritti includono EMI ridotto, diafonia ridotta tra le linee e riduzioni di rimbalzo di terra o di alimentazione ridotte.

Ciò che è sconcertante è che la quantità totale di energia utilizzata per commutare l'ingresso sembrerebbe essere un po 'più alta se c'è una resistenza. L'ingresso del chip che viene pilotato equivale a qualcosa come un condensatore 3-5 pF (più o meno) e la carica che attraverso un resistore prende sia l'energia immagazzinata nella capacità di ingresso (5 pF * (3 V) ² ) e l'energia dissipata nel resistore durante la commutazione (diciamo 10 ns * (3 V) ² /100 ohm). Un calcolo retro-dell'inviluppo mostra che l'energia dissipata nel resistore è un ordine di grandezza maggiore dell'energia immagazzinata nella capacità di ingresso. In che modo la trasmissione di un segnale molto più difficile riduce il rumore?

Pensa a una connessione PCB (o filo) tra un'uscita e un ingresso. È fondamentalmente un'antenna o un radiatore. L'aggiunta di un resistore serie limiterà la corrente di picco quando l'uscita cambia stato, causando una riduzione del campo magnetico transitorio generato e quindi tenderà a ridurre l'accoppiamento con altre parti del circuito o del mondo esterno.

Emf indotto indesiderato = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" è uno (giro) in caso di semplice interferenza tra (diciamo) due tracce PCB.

Il flusso ( ) è direttamente proporzionale alla corrente e quindi l'aggiunta di un resistore migliora le cose su due punti; in primo luogo, la corrente di picco (e quindi il flusso di picco) viene ridotta e, in secondo luogo, il resistore rallenta la velocità di variazione della corrente (e quindi la velocità di variazione del flusso) e chiaramente questo ha un risultato diretto sull'entità di qualsiasi indotto emf perché emf è proporzionale alla velocità di variazione del flusso.$\Phi$

Successivamente, considerare il tempo di salita della tensione sulla linea quando la resistenza viene aumentata - il tempo di salita si allungherà e questo significa che l'accoppiamento del campo elettrico ad altri circuiti verrà ridotto. Ciò è dovuto alla capacità parassita tra i circuiti (ricordando che Q = CV): -

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

Se la velocità di variazione della tensione diminuisce, diminuisce anche l'effetto della corrente iniettata in altri circuiti (tramite capacità parassita).

Per quanto riguarda l'argomento energia nella tua domanda, dato che il circuito di uscita ha inevitabilmente una certa resistenza di uscita, se hai fatto la matematica e calcolato la potenza dissipata in questa resistenza ogni volta che la capacità di ingresso è stata caricata o scaricata, scopriresti che questa potenza non lo fa ' t cambia anche se il valore della resistenza è cambiato. So che non sembra intuitivo, ma abbiamo già discusso di questo argomento e cercherò di trovare la domanda e collegarla perché è interessante.

Prova questa domanda: è uno dei pochi che copre il tema di come si perde energia quando si caricano i condensatori. Ce n'è uno più recente che proverò a trovare.

Qui si tratta.

Il termine giusto per questa funzione di "rallentamento" è la velocità di risposta . L'aggiunta di un resistore riduce la velocità di risposta formando un filtro RC passa-basso con la capacità di ingresso. Puoi vedere l'effetto di tali resistori nel seguente oscillogramma (la curva verde con una velocità di risposta maggiore produce molto più rumore):

L'aumento del consumo di energia menzionato in realtà non è reale. Ci vuole la stessa quantità di energia per caricare un condensatore, indipendentemente dalla velocità con cui lo si sta caricando. L'introduzione del resistore ha solo reso visibile questa perdita di energia, mentre senza il resistore la stessa energia è dissipata dalle porte di uscita CMOS.

È una semplificazione eccessiva pensare al resistore come a "rallentare" la linea, perché non è proprio quello per cui è lì, almeno nella segnalazione ad alta velocità, e sembra implicare che si ridurrebbe o rimuovere il resistore se si volesse vai più veloce.

In effetti, è la terminazione in serie per la linea di trasmissione rappresentata dalla traccia. Come tale, il suo valore, più l'impedenza di uscita del driver, dovrebbe essere uguale all'impedenza caratteristica della traccia.

Quando il tuo driver lancia un bordo lungo la linea attraverso il resistore, si sposta verso il basso fino alla metà della tensione finale (perché c'è un potenziale divisore formato dall'impedenza della sorgente e dell'impedenza della traccia), e viene quindi riflesso all'apertura- circuito rappresentato all'estremità lontana, che raddoppia la sua tensione al livello massimo. La riflessione ritorna alla sorgente, a quel punto viene terminata dal resistore della sorgente (tramite la bassa impedenza dei driver di uscita).

Quindi l'estremità lontana ottiene un bel bordo pulito, che può tranquillamente utilizzare un ritardo di propagazione dopo che è stato inviato (cioè il più presto possibile), e non c'è un insieme di riflessi che scivolano avanti e indietro per più tempi di andata e ritorno, che causa EMI / crosstalk e ritardi.

Lo svantaggio è che se guardi al centro della linea, vedrai una forma d'onda a gradini divertente, il che significa che questa non è sempre una tecnica adatta per i collegamenti multidrop. (Certamente non orologi multidrop)

Aggiornare:

Giusto per chiarire, è il tempo di salita del segnale che conta di più in queste situazioni, non la frequenza con cui si generano i fronti. In un mondo ideale, avresti sempre dei driver con frequenze edge sensate per la frequenza che stavi cercando di trasmettere, ma spesso non è così al giorno d'oggi, e se il tempo di salita del tuo driver è breve, devi pensare a squillare. Su una linea di dati, questo potrebbe non avere importanza (tranne EMI), perché si sarebbe fermato tutto prima del successivo limite di clock, ma su un clock potrebbe essere un disastro a doppio clock, anche se si tratta di un disastro che si verifica solo un milione volte al secondo.

Howard Johnson ritiene che dovresti simulare qualcosa di più lungo di 1/6 del tempo di salita per vedere se hai bisogno di terminare. A 1ns tempo di salita che è di 150ps, che è di circa un pollice. Altre persone dicono cose come 2 pollici per nanosecondo di tempo di salita è la lunghezza critica per la necessità di terminazione.

dover guidare un segnale molto più forte

Al contrario: la potenza del drive di un'uscita digitale è una quantità fissa (*) basata sulla dimensione dei suoi transistor di uscita. Se si dispone di una forza motrice eccessiva, si ottiene un grande impulso di corrente breve. Un resistore lo trasforma in un impulso più lungo e piatto. (Penso che l'area sotto l'impulso sul grafico del tempo corrente sia costante, ma non ho fatto i calcoli).

Più nitido è il tuo impulso attuale, più devi considerare il sistema come una linea di trasmissione. Quindi il resistore appare come un resistore di terminazione della sorgente.

(*) È possibile ottenere alcuni dispositivi con potenza di commutazione commutabile, ma ciò significa solo che hanno più transistor di uscita per pin.