¿Puede usar terminaciones en serie y en paralelo en la misma red?

Las terminaciones en serie y en paralelo son las opciones de terminación resistiva más comunes para la señalización digital. La razón es que la resistencia es una cantidad de banda ancha y no comienza a verse afectada por parásitos hasta bien entrado el rango de GHz. En el ancho de banda del canal asociado con la mayoría de las señales digitales, hay casos en los que una línea no terminada realmente necesita terminación, incluso si no hay una especificación de impedancia en la interfaz.

Como ambas opciones son viables para señales digitales, ¿cuál de estas deberías usar para terminar una línea de transmisión larga sin especificación de impedancia? A veces hay una percepción de que ambas deberían usarse, o que ambas pueden usarse en cada red. Hay casos en los que ambas pueden usarse al mismo tiempo, pero típicamente solo se elige una ya que puede eliminar la necesidad de la otra.

En este artículo, examinaré la señalización involucrada tanto en las terminaciones en serie como en paralelo, y el caso especial donde podrías ver ambas terminaciones.

Terminaciones en Serie y Paralelo a Través de Funciones de Transferencia

La explicación que se da a continuación no se basará en la dinámica de señales per se. Para eso, puedes leer este buen artículo de Kella Knack que muestra ejemplos de formas de onda. En cambio, miraré desde la perspectiva de la función de transferencia para mostrar exactamente qué les sucede a los niveles de voltaje en una línea de transmisión. Esto también revela el efecto del ancho de banda en las señales digitales.

Lo que mostraré a continuación respecto a estas dos terminaciones y por qué a menudo no se usan juntas en la misma red se basa en las siguientes suposiciones:

• Las interfaces no tienen un objetivo de impedancia especificado, lo que significa que la impedancia de la traza podría ser cualquier cosa
• La impedancia del conductor es generalmente un valor bajo, y la impedancia de carga se modela como una simple capacitancia de carga
• La impedancia de salida del conductor es conocida o se puede determinar, como por medición o simulación (IBIS)

Ahora veamos cada una de estas terminaciones en detalle.

Función de Transferencia de Terminación en Serie

El circuito mostrado a continuación ilustra el formalismo utilizado para determinar la función de transferencia de la línea de transmisión a partir de parámetros ABCD. Note que también podríamos usar parámetros S, pero los parámetros ABCD son mucho más fáciles.

La función de transferencia es la relación entre el voltaje de carga y el voltaje de fuente. Lo grandioso de un enfoque de función de transferencia es que el voltaje de carga se define explícitamente en términos de la impedancia de fuente como se muestra arriba. Ahora podemos sustituir nuestras impedancias de fuente y cualquier resistencia en serie.

Cuando la resistencia en serie se utiliza para terminar perfectamente la línea de transmisión, la resistencia se dimensiona para ser R = ZS - Z0. Esta resistencia se coloca normalmente en el pin de salida del controlador, y ahora tenemos la relación donde la impedancia de fuente total es ZS = Z0 ya que esta es la nueva impedancia de salida total. Usando la definición de parámetros ABCD para una línea de transmisión, tenemos:

Aquí, tenemos una función de transferencia que parece un divisor de voltaje que involucra la impedancia de carga y la impedancia de la línea de transmisión. El voltaje en la carga es:

Si tomamos la impedancia de carga y la hacemos muy grande, tendríamos el siguiente valor para el voltaje en la carga:

Esto se aplica dentro del ancho de banda del canal según lo definido por la capacitancia de carga. ¿Cómo se ve afectada la señal del controlador después de interactuar con la impedancia total de la fuente, que incluye el resistor en serie? Si usas la definición de parámetros ABCD y calculas V1, obtienes lo siguiente si ZS + R = Z0:

Ahora vemos la función del resistor en serie: cuando está perfectamente emparejado, la impedancia de la fuente y la impedancia del trazo actúan como un divisor de voltaje. Si la impedancia de la fuente está por debajo o por encima de la impedancia del trazo, observaríamos sobrepaso o subpaso después de la reflexión en la carga.

Solo a través de la reflexión en la carga se restaura el nivel de señal reducido al nivel completo. Esta es la razón por la cual típicamente también no aplicaríamos terminación paralela en la misma red cuando el voltaje del receptor debe ver el mismo valor que el voltaje de la fuente. Ahora veamos la terminación paralela por sí misma.

Terminación Paralela

Con la terminación paralela, el punto entero es suprimir la reflexión en el receptor, como mencioné anteriormente. En un bus especificado por impedancia, la terminación generalmente se coloca en el dado semiconductor. En un caso más general, como con ciertos controladores de línea, la impedancia no está especificada y, por lo tanto, la terminación podría necesitar ser aplicada manualmente.

La terminación paralela sin terminación de resistencia en serie funciona de la siguiente manera:

• Debido a que no hay resistencia en serie, la función de división de voltaje hace que la totalidad de la señal se coloque en la línea de transmisión (V1 = VS)
• La señal luego se propaga hacia la carga y no se refleja, por lo que es totalmente absorbida a través de la resistencia paralela

Si asumimos una impedancia de fuente perfecta de ZS = 0, la función de transferencia para la terminación paralela nos da la siguiente relación para los voltajes de carga y fuente:

Con la terminación paralela, vemos que hay un factor 2 en el numerador. El circuito de terminación crea una resistencia en paralelo con una capacitancia de carga, donde la resistencia es R = Z0. Dentro del límite de ancho de banda de frecuencia de rodilla del canal, según lo definido por esa carga capacitiva, la impedancia de carga es casi igual a la resistencia paralela. Esto nuevamente nos da el voltaje visto en la carga cuando R = Z0 y por lo tanto ZL = Z0:

Una vez más, volvemos a la señal de plena fuerza que enviamos al interconector.

Si la impedancia de la fuente no es cero, vuelva a la definición de la función de transferencia e introduzca el valor de su impedancia de fuente. Esto podría extraerse de mediciones o de simulaciones.

¿Puede utilizar terminación en serie y en paralelo?

Cuando comparamos la forma general de la función de transferencia de un resistor de terminación en serie, debería ser muy claro por qué no colocamos intencionalmente también un resistor en paralelo cuando ya hay un resistor en serie. Si haces una coincidencia perfecta con un resistor en serie discreto, y luego también haces coincidir con un resistor en paralelo, entonces solo la mitad del nivel de señal llega a la línea y esto es absorbido por el resistor en paralelo. En otras palabras, el voltaje visto en la carga es:

Si estás utilizando un componente con un nivel de señal de 3.3 V y el receptor también demanda un nivel de señal de 3.3 V, entonces podrías no ser capaz de usar la terminación en serie y en paralelo al mismo tiempo. Tendrías que mirar cuidadosamente los umbrales lógicos en el receptor para asegurarte de que el voltaje en la carga no sea demasiado bajo.

El caso límite se da cuando se pretende reducir de un voltaje de fuente a un voltaje de carga menor. Por ejemplo, con una fuente de 3.3 V y una carga que necesita una amplitud de 1.8 V, el nivel de señal recibido en la carga sería de 1.65 V con terminación tanto en serie como en paralelo. Esto podría estar en el extremo inferior del voltaje requerido para registrarse como un estado lógico ALTO en el receptor. Podemos encontrar otros ejemplos de niveles lógicos comunes donde obtenemos el mismo resultado.

En lugar de intentar diseñar una reducción con resistencias de terminación, normalmente cambiarías entre dos niveles de señal diferentes usando un convertidor de nivel. Estos componentes están diseñados para soportar interfaces específicas o pueden ser compatibles con una gama de interfaces posibles. Estos componentes aceptarán diferentes voltajes de alimentación y crearán una réplica de la señal entrante en la salida, pero a un voltaje más alto o más bajo. A continuación, se muestra un ejemplo para el SN65DP159 de Texas Instruments.

¿Todo esto se aplica a pares diferenciales?

La respuesta es "sí" con un asterisco; si se utiliza un par diferencial, entonces reemplace la impedancia característica en las funciones de transferencia anteriores por la impedancia de modo impar, y calcule la diferencia en las señales de polaridad opuesta en el lado receptor de la interconexión.

La mayoría de las interfaces diferenciales tienen requisitos específicos de terminación y requisitos de impedancia de traza, lo cual ya está implementado en el chip en el lado del conductor de la línea (como mínimo). Cuando se requiere acoplamiento DC, esa terminación en el chip en el lado del conductor impide el uso de una resistencia en serie. En otros casos, se podría usar una terminación paralela cuando el componente receptor no tiene terminación en el chip, lo cual no es común. El uso de terminación (en serie, paralela o ambas) aún se puede aplicar en casos especiales, pero estaría especificado en las hojas de datos, determinado mediante pruebas, o ya estaría incluido en el chip.

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