Warum ist es gut, digitale Leitungen mit Widerständen zu verlangsamen?

Ich habe gehört, dass es manchmal empfohlen wird, eine digitale Leitung zu "verlangsamen", indem ein Widerstand darauf gelegt wird, beispielsweise ein 100 - Ohm - Widerstand zwischen dem Ausgang eines Chips und dem Eingang eines anderen Chips (Standard - CMOS - Logik vorausgesetzt) Die Signalrate ist ziemlich langsam (z. B. 1-10 MHz). Zu den beschriebenen Vorteilen gehören eine verringerte EMI, ein verringertes Übersprechen zwischen Leitungen und ein verringertes Abprallen der Masse oder Einbrüche der Versorgungsspannung.

Das Rätselhafte daran ist, dass die Gesamtleistung , die zum Umschalten des Eingangs verwendet wird, bei Vorhandensein eines Widerstands deutlich höher zu sein scheint. Der Eingang des angesteuerten Chips entspricht etwa einem 3-5 pF-Kondensator (mehr oder weniger), und das Laden über einen Widerstand nimmt die in der Eingangskapazität gespeicherte Energie auf (5 pF * (3 V) ² ). und die Energie in dem Widerstand dissipiert während des Schaltens (sagen wir mal 10 ns * (3 V) ² /100 Ohm). Eine Back-of-the-Envelope-Berechnung zeigt, dass die im Widerstand verbrauchte Energie eine Größenordnung größer ist als die in der Eingangskapazität gespeicherte Energie. Wie kann man Rauschen reduzieren, wenn man ein Signal viel härter ansteuern muss?

Denken Sie an eine PCB-Verbindung (oder einen Draht) zwischen einem Ausgang und einem Eingang. Es ist im Grunde eine Antenne oder ein Strahler. Durch Hinzufügen eines Vorwiderstands wird der Spitzenstrom begrenzt, wenn der Ausgang seinen Zustand ändert. Dies führt zu einer Verringerung des erzeugten transienten Magnetfelds und verringert daher tendenziell die Kopplung mit anderen Teilen des Stromkreises oder der Außenwelt.

Unerwünschte induzierte EMK = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" ist eine (Umdrehung) im Fall einer einfachen Störung zwischen (sagen wir) zwei Leiterplattenspuren.

$\Phi$

Berücksichtigen Sie als nächstes die Anstiegszeit der Spannung auf der Leitung, wenn der Widerstand erhöht wird - die Anstiegszeit wird länger und dies bedeutet, dass die Kopplung des elektrischen Feldes mit anderen Stromkreisen verringert wird. Dies ist auf die Streukapazität zwischen den Schaltkreisen zurückzuführen (unter Berücksichtigung von Q = CV):

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

Wenn die Spannungsänderungsrate abnimmt, nimmt auch die Wirkung des Stroms ab, der in andere Stromkreise (über die parasitäre Kapazität) eingespeist wird.

Was das Energieargument in Ihrer Frage anbelangt, so würden Sie feststellen, dass diese Leistung bei jeder Aufladung oder Entladung der Eingangskapazität keinen Ausgangswiderstand aufweist, wenn Sie die Berechnung durchführen und die in diesem Widerstand verbrauchte Leistung berechnen. ' t ändert sich auch, wenn sich der Widerstandswert ändert. Ich weiß, dass es sich nicht intuitiv anhört, aber wir haben dieses Argument schon einmal niedergeschlagen, und ich werde versuchen, die Frage zu finden und sie zu verknüpfen, weil sie interessant ist.

Versuchen Sie diese Frage - es ist eine von wenigen, die sich mit dem Thema des Energieverlusts beim Aufladen von Kondensatoren befassen. Es gibt eine neuere, die ich zu finden versuchen werde.

Hier ist es.

Die richtige Bezeichnung für diese „slow down“ Funktion ist Slew Rate . Durch Hinzufügen eines Widerstands wird die Anstiegsgeschwindigkeit reduziert, indem ein Tiefpass-RC-Filter mit der Eingangskapazität gebildet wird. Sie können den Effekt solcher Widerstände im folgenden Oszillogramm sehen (grüne Kurve mit höherer Anstiegsrate erzeugt viel mehr Rauschen):

Der von Ihnen erwähnte Anstieg des Stromverbrauchs ist in der Tat nicht real. Das Laden eines Kondensators erfordert dieselbe Energiemenge, unabhängig davon, wie schnell Sie ihn laden. Die Einführung des Widerstands machte nur diesen Energieverlust sichtbar, wohingegen ohne den Widerstand die gleiche Energie von den CMOS-Ausgangsgattern abgeführt wird.

Es ist eine große Vereinfachung, den Widerstand als "Verlangsamung" der Leitung zu betrachten, da dies zumindest bei Hochgeschwindigkeitssignalen nicht der Fall ist und es den Anschein hat, als würden Sie den Widerstand reduzieren oder entfernen, wenn Sie dies wollten geh schneller.

Tatsächlich ist es ein Serienabschluss für die Übertragungsleitung, die die Spur darstellt. Als solches sollte sein Wert plus die Ausgangsimpedanz des Treibers gleich der charakteristischen Impedanz der Spur sein.

Wenn Ihr Fahrer über den Widerstand eine Flanke entlang der Leitung startet, wandert diese mit der Hälfte der Endspannung zum fernen Ende hinunter (da sich ein Potentialteiler aus der Quellenimpedanz und der Spurimpedanz zusammensetzt) ​​und wird dann an der Unterbrechung reflektiert. Schaltung am anderen Ende dargestellt, die ihre Spannung auf den vollen Pegel verdoppelt. Die Reflexion wandert zurück zur Quelle und wird an diesem Punkt vom Quellwiderstand abgeschlossen (über die niedrige Impedanz der Ausgangstreiber).

So erhält das ferne Ende eine schöne, saubere Kante, die sicher eine Laufzeitverzögerung nach dem Senden (dh so bald wie möglich) ausnutzt, und es gibt keine Reihe von Reflexionen, die für mehrere Umlaufzeiten hin und her schwappen verursacht EMI / Übersprechen und Verzögerungen.

Der Nachteil ist, dass Sie in der Mitte der Linie eine lustige abgestufte Wellenform sehen, was bedeutet, dass diese Technik für Multidrop-Links nicht immer geeignet ist. (Sicher nicht Multidrop-Uhren)

Aktualisieren:

Nur um zu verdeutlichen, ist es die Anstiegszeit Ihres Signals, die in diesen Situationen am wichtigsten ist, nicht die Frequenz, mit der Sie Flanken erzeugen. In einer idealen Welt hätten Sie immer Treiber mit Flankenraten, die für die Frequenz, die Sie senden wollten, sinnvoll waren. Dies ist heutzutage jedoch häufig nicht der Fall. Wenn die Anstiegszeit Ihres Treibers kurz ist, müssen Sie darüber nachdenken Klingeln. Auf einer Datenleitung spielt dies möglicherweise keine Rolle (außer EMI), da alles vor der nächsten Taktflanke gestoppt wurde. Auf einer Uhr kann es sich jedoch um eine Doppeltakt-Katastrophe handeln, selbst wenn es sich um eine Katastrophe handelt, die nur eine Million Mal vorkommt mal pro Sekunde.

Howard Johnson meint, Sie sollten etwas länger als 1/6 der Anstiegszeit simulieren, um zu sehen, ob Sie eine Beendigung benötigen. Bei einer Anstiegszeit von 1 ns sind das 150 ps, ​​was ungefähr einem Zoll entspricht. Andere Leute sagen, dass Dinge wie 2 Zoll pro Nanosekunde Anstiegszeit die kritische Länge für die Notwendigkeit einer Terminierung sind.

ein Signal viel härter fahren zu müssen

Umgekehrt: Die Ansteuerungsstärke eines digitalen Ausgangs ist eine feste Größe (*), die von der Größe seiner Ausgangstransistoren abhängt. Wenn Sie zu viel Antriebskraft haben, erhalten Sie einen großen kurzen Stromimpuls. Ein Widerstand verwandelt das in einen längeren, flacheren Impuls. (Ich denke, die Fläche unter dem Puls in der Grafik für die aktuelle Zeit ist konstant, aber ich habe nicht nachgerechnet).

Je schärfer Ihr aktueller Puls ist, desto mehr müssen Sie das System als Übertragungsleitung betrachten. Dann erscheint der Widerstand als Source-Abschlusswiderstand.

(*) Sie können einige Geräte mit umschaltbarer Treiberstärke erhalten, dies bedeutet jedoch nur, dass sie mehrere Ausgangstransistoren pro Pin haben.