Warum einen Widerstand in Reihe mit der Signalleitung schalten?

In Schaltkreisen sehe ich oft einen Widerstand in Reihe in einer Signalleitung und manchmal sogar in Reihe mit der VDD-Leitung einer MCU. Soll damit das Rauschen in der Leitung ausgeglichen werden? Wie unterscheidet sich dies von der Verwendung einer kleinen Kappe, z. B. 0,1 µF, um dasselbe zu tun?

Zwei häufige Gründe sind die Signalintegrität und die Strombegrenzung bei der verzögerten Pegelumwandlung.

Aus Gründen der Signalintegrität kann jede Fehlanpassung der Impedanz der Übertragungsleitung, die durch eine Leiterbahn und angeschlossene Komponenten gebildet wird, Reflexionen von Signalübergängen verursachen. Wenn diese über viele Zyklen auf der Leiterbahn hin und her springen dürfen, um die Fehlpaarungen am Ende zu reflektieren, bis sie aussterben, "klingeln" die Signale und können entweder durch Pegel oder als zusätzliche Flankenübergänge fehlinterpretiert werden. Typischerweise hat ein Ausgangsstift eine niedrigere Impedanz als die Leiterbahn und ein Eingangsstift eine höhere Impedanz. Wenn Sie einen der Übertragungsleitungsimpedanz entsprechenden Vorwiderstand an den Ausgangsstift anschließen, wird sofort ein Spannungsteiler gebildet, und die Spannung der Wellenfront, die die Leitung hinunterläuft, ist halb so hoch wie die Ausgangsspannung. Empfangsseitig sieht die höhere Impedanz des Eingangs im Wesentlichen wie ein offener Stromkreis aus. Dadurch wird eine gleichphasige Reflexion erzeugt, die die momentane Spannung wieder auf das Original verdoppelt. Wenn diese Reflexion jedoch zu dem niederohmigen Ausgang des Treibers zurückreicht, würde sie gegenphasig reflektieren und konstruktiv interferieren, erneut subtrahieren und ein Klingeln erzeugen. Stattdessen wird es vom Vorwiderstand des Treibers absorbiert, der entsprechend der Leitungsimpedanz ausgewählt wurde. Eine solche Quellenbeendigung funktioniert bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ziemlich gut, bei Mehrpunkt-Verbindungen jedoch nicht so gut. Stattdessen wird es vom Vorwiderstand des Treibers absorbiert, der entsprechend der Leitungsimpedanz ausgewählt wurde. Eine solche Quellenbeendigung funktioniert bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ziemlich gut, bei Mehrpunktverbindungen jedoch nicht so gut. Stattdessen wird es vom Vorwiderstand des Treibers absorbiert, der entsprechend der Leitungsimpedanz ausgewählt wurde. Eine solche Quellenbeendigung funktioniert bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ziemlich gut, bei Mehrpunkt-Verbindungen jedoch nicht so gut.

Die Strombegrenzung bei der Lazy-Level-Übersetzung ist ein weiterer häufiger Grund. CMOS-IC-Technologien unterschiedlicher Generationen weisen unterschiedliche optimale Betriebsspannungen auf und können durch die winzige physikalische Größe der Transistoren festgelegte Schadensgrenzen aufweisen. Außerdem können sie es nicht ertragen, einen Eingang mit einer höheren Spannung als ihrer Versorgung zu haben. Daher sind die meisten Chips mit winzigen Dioden von den Eingängen bis zur Versorgung ausgestattet, um vor Überspannung zu schützen. Wenn Sie einen 3,3-V-Teil von einem 5-V-Teil (oder heute wahrscheinlich von einem 1,2- oder 1,8-V-Teil von einer 3,3-V-Quelle) treiben, ist es verlockend, sich nur auf diese Dioden zu verlassen, um die Signalspannung auf einen sicheren Bereich zu begrenzen. Sie können jedoch häufig nicht den gesamten Strom verarbeiten, der möglicherweise durch den Ausgang mit der höheren Spannung erzeugt wird, sodass ein Vorwiderstand verwendet wird, um den Strom durch die Diode zu begrenzen.

Ja, die Signalintegrität ist der Grund. Die Verwendung einer Kappe verlangsamt die Kante erheblich und ist weniger sauber. Das Standardbuch zu diesem Thema ist High Speed ​​Digital Design: Ein Handbuch der schwarzen Magie . Als Faustregel wird typischerweise 22,1 Ohm als Ausgangspunkt verwendet. Sie können ein Signalintegritätssimulationstool wie HyperLynx von Mentor Graphics verwenden, um eine bessere Analyse zu erhalten, bevor die Platine gebaut wird.

Auf der VDD-Leitung ist das nicht der Grund. Einige Leute setzen dort möglicherweise einen Milliohm-Widerstand ein, um die Leistung zu messen, und ersetzen ihn dann durch einen 0-Ohm-Widerstand für die Produktion. Andere, insbesondere analoge, setzen möglicherweise einen RC-Filter ein, um Rauschen zu beseitigen.

Auf welcher Art von Produkt? Auf der Verbraucherseite handelt es sich wahrscheinlich um die Signalintegrität (siehe Brians Antwort).

Bei einem Entwicklungstool kann es sich um eine Strombegrenzung handeln. Bei meinen Projekten für Datenleitungen, die mit externen Modulen verbunden sind, lege ich häufig 470-Ohm-Widerstände auf Signalleitungen ab. Der von einem Digitaleingang aufgenommene Strom reicht nicht aus, um einen starken Spannungsabfall an diesem Widerstand zu verursachen. Die Strombegrenzung bedeutet, dass (normalerweise) nichts in Rauch aufsteigt, wenn ich beim Anschließen von Gegenständen einen Fehler mache oder wenn eine Verbindung auf einer freiliegenden Platine kurzgeschlossen wird. Dies unterscheidet sich von einer Kappe, da eine Kappe an einer digitalen Flanke (für eine kurze, aber manchmal nicht zu vernachlässigende Zeit) viel Strom verbraucht und den gegenteiligen Effekt eines Widerstands hat.

Ich bin mir nicht sicher, ob es das ist, worüber Sie sprechen, aber ein kleiner Widerstand (<100 Ohm) kann am Ausgang eines Operationsverstärkers platziert werden, der eine lange Leitung treibt, damit die kapazitive Last nicht verursacht der Verstärker zu schwingen.

Es kann auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass zwei Verstärker genau die gleiche Ausgangsimpedanz haben, um eine symmetrische Leitung zu erzeugen , die Interferenzen zurückweist.

Zwei weitere Antworten:

1. Das Hinzufügen eines Widerstands zu einer Leitung kann schädliche Stromflüsse begrenzen, die ansonsten durch kurze Hochspannungsspitzen verursacht würden, z. B. durch elektrostatische Entladung (ESD).
2. Ein Widerstand mit niedrigem Wert in Übereinstimmung mit dem Stromversorgungseingang eines Chips lässt eine Spannung abfallen, die proportional zum Versorgungsstrom des Chips ist. Wenn man den Wert des Widerstands kennt, kann man ein Messgerät anschließen, die Spannung messen und den Strom ableiten, ohne den Schaltungsbetrieb zu stören. Die Schaltung funktioniert mit oder ohne den erforderlichen Zähler gleich. Hätte die Platine dagegen einen Anschlusspunkt für ein Amperemeter in Reihe mit der Versorgung, müsste dieser Anschluss immer dann kurzgeschlossen werden, wenn das Material nicht vorhanden ist.

Ich habe ein Xilinx-FPGA gesehen, das so programmiert ist, dass es einen analogen CMOS-Zeilen- / Spalten-Multiplexer auf einem Imager ansteuert und den Multiplexer in den Müll wirft, weil die digitalen Xilinx-Kanten im Sub-Nanosekunden-Bereich weit unter dem Boden und weit über dem VDD lagen. Dies war mit einer 1 pF-Sonde mit einer Geschwindigkeit von 900 MHz (die lange veraltete aktive TEK-Fet-Sonde P6201) zu beobachten. Ihre normale langsame 13pF-Sonde zeigte kein Überschwingen. Ich wurde von Leuten mit jahrelanger Erfahrung in diesen Bereichen angewiesen, in jedes der 6 "-Leitungen (ungefähr 15 dieser Leitungen) von Xilinx bis zum Multiplexer einen 1KOhm-Widerstand einzubauen. Ergebnis? Ein feines Bild mit viel Versatz / Verstärkungsfehler, wurde angezeigt. Es wurde eine Korrektur für heiße und kalte Platten hinzugefügt, und Sie konnten sehen, wie die Hitze Ihres Fingers durch ein Blatt Papier drang. Was war los? Die Schutzdioden, die ESD-Schläge beider Polaritäten absorbieren sollten, schalteten sich während dieser Sub-Nanosekunden-Unter- / Überschwinger ein. Auf diese Weise wurde millionenfach pro Sekunde Ladung in das CMOS-Substrat und die Vertiefungen injiziert, wodurch das digitale Verhalten und möglicherweise die analogen Signale gestört wurden, wenn diese durch einen unerwarteten Ladungsfluss, der einen Pfad zurück nach Hause benötigte, auf Erd- / Schiene getrieben wurden. Ich habe beim Debuggen anderer CMOS-Schaltungen geholfen, bei denen während eines ESD-Tests nur ein logisches Gatter gestört wurde, weil es keine gablocal charge-gathering contact into well/substrate.

Careful with resistors on vdd lines. If you are not careful sizing the cap correcrly, you may end up with ripple on the supply feed to the device which msy have a drtrimental effect on is operation.

Sometimes a resistor, or other load, is added in parallel to a discrete digital input to compensate for the distributed capacitance in a long input cable. Consider the case where a field switch at the end of a long run of shielded cable, has a hot and a return conductor. the other end of the cable pair has a 120 vac Line and the return side goes to the input of a PLC, DCS, or other digital device. Based on these values: - Supply voltage - Cable capacitance - Digital input device impedance - Digital input device ON voltage You can calculate a maximum safe distance for the cable run so that the input will turn off when the switch is opened.
The impedance of the cable, and the input device form a voltage divider that can cause the voltage at the input to be higher than the threshold, even with the switch open.