Peut-on utiliser la terminaison en série et en parallèle sur le même réseau ?

Les terminaisons en série et en parallèle sont les options de terminaison résistive les plus courantes pour la signalisation numérique. La raison en est que la résistance est une quantité large bande et ne commence à être affectée par les parasites qu'à partir de fréquences bien supérieures, dans la gamme des GHz. À la bande passante du canal associée à la plupart des signaux numériques, il existe des cas où une ligne non terminée nécessite en fait une terminaison, même s'il n'y a pas de spécification d'impédance dans l'interface.

Comme les deux options sont viables pour les signaux numériques, laquelle devriez-vous utiliser pour terminer une longue ligne de transmission sans spécification d'impédance ? Il y a parfois une perception que les deux devraient être utilisées, ou que les deux peuvent être utilisées sur chaque réseau. Il existe des cas où les deux peuvent être utilisées en même temps, mais typiquement une seule est choisie car elle peut éliminer le besoin de l'autre.

Dans cet article, je vais examiner la signalisation impliquée dans les terminaisons en série et en parallèle, et le cas spécial où vous pourriez voir les deux terminaisons.

Terminaisons en Série et en Parallèle Via Fonctions de Transfert

L'explication donnée ci-dessous ne sera pas basée sur la dynamique des signaux en soi. Pour cela, vous pouvez lire cet excellent article de Kella Knack qui montre des exemples de formes d'onde. Au lieu de cela, je vais examiner du point de vue de la fonction de transfert pour montrer exactement ce qui arrive aux niveaux de tension dans une ligne de transmission. Cela révèle également l'effet de la bande passante sur les signaux numériques.

Ce que je vais montrer ci-dessous concernant ces deux terminaisons et pourquoi elles ne sont souvent pas utilisées ensemble sur le même réseau est basé sur les hypothèses suivantes :

• Les interfaces n'ont pas d'objectif d'impédance spécifié, ce qui signifie que l'impédance de la trace pourrait être n'importe quoi
• L'impédance du pilote est généralement une valeur faible, et l'impédance de charge est modélisée comme une simple capacité de charge
• L'impédance de sortie du pilote est connue ou peut être déterminée, comme par mesure ou simulation (IBIS)

Maintenant, examinons chacune de ces terminaisons en détail.

Fonction de Transfert de Terminaison en Série

Le circuit illustré ci-dessous montre le formalisme utilisé pour déterminer la fonction de transfert de la ligne de transmission à partir des paramètres ABCD. Notez que nous pourrions également utiliser les paramètres S, mais les paramètres ABCD sont beaucoup plus simples.

La fonction de transfert est le rapport de la tension de charge à la tension de source. L'avantage d'une approche par fonction de transfert est que la tension de charge est explicitement définie en termes d'impédance de source comme montré ci-dessus. Nous pouvons maintenant substituer nos impédances de source et toute résistance en série.

Lorsque la résistance en série est utilisée pour terminer parfaitement la ligne de transmission, la résistance est dimensionnée pour être R = ZS - Z0. Cette résistance est normalement placée au niveau de la broche IO du pilote, et nous avons maintenant la relation où l'impédance de source totale est ZS = Z0 puisque c'est la nouvelle impédance de sortie totale. En utilisant la définition des paramètres ABCD pour une ligne de transmission, nous avons :

Ici, nous avons une fonction de transfert qui ressemble à un diviseur de tension impliquant l'impédance de charge et l'impédance de la ligne de transmission. La tension à la charge est :

Si nous prenons l'impédance de charge et la rendons très grande, nous aurions la valeur suivante pour la tension à la charge :

Cela s'applique dans la largeur de bande du canal telle que définie par la capacité de charge. Comment le signal provenant du pilote est-il affecté après avoir interagi avec l'impédance source totale, qui inclut la résistance en série ? Si vous utilisez la définition des paramètres ABCD et calculez V1, vous obtenez le suivant si ZS + R = Z0 :

Maintenant, nous voyons la fonction de la résistance en série : lorsqu'elle est parfaitement adaptée, l'impédance source et l'impédance de la trace agissent comme un diviseur de tension. Si l'impédance source est inférieure ou supérieure à l'impédance de la trace, nous observerions un dépassement ou un affaissement après réflexion sur la charge.

C'est uniquement par réflexion sur la charge que le niveau de signal réduit de moitié est restauré au niveau complet. C'est pourquoi nous n'appliquerions pas non plus typiquement une terminaison parallèle sur le même réseau lorsque la tension du récepteur doit voir la même valeur que la tension source. Examinons maintenant la terminaison parallèle par elle-même.

Terminaison Parallèle

Avec la terminaison parallèle, le but entier est de supprimer la réflexion sur le récepteur, comme je l'ai mentionné ci-dessus. Dans un bus spécifié par impédance, la terminaison est généralement placée sur la puce semi-conductrice. Dans un cas plus général, comme avec certains pilotes de ligne, l'impédance n'est pas spécifiée et donc la terminaison pourrait devoir être appliquée manuellement.

La terminaison parallèle sans résistance en série fonctionne comme suit :

• Comme il n'y a pas de résistance en série, la fonction de division de tension fait que le signal entier est placé sur la ligne de transmission (V1 = VS)
• Le signal se propage ensuite jusqu'à la charge et ne se réfléchit pas, il est donc totalement absorbé par la résistance parallèle

Si nous supposons une impédance de source parfaite de ZS = 0, la fonction de transfert pour une terminaison parallèle donne la relation suivante pour les tensions de charge et de source :

Avec une terminaison parallèle, nous voyons qu'il y a un facteur 2 dans le numérateur. Le circuit de terminaison crée une résistance en parallèle avec une capacité de charge, où la résistance est R = Z0. Dans la limite de bande passante de fréquence de genou du canal, telle que définie par cette charge capacitive, l'impédance de charge est très presque égale à la résistance parallèle. Cela nous donne à nouveau la tension vue à la charge lorsque R = Z0 et donc ZL = Z0 :

Nous revenons encore une fois au signal plein de force que nous avons envoyé dans l'interconnexion.

Si l'impédance de source n'est pas nulle, retournez dans la définition de la fonction de transfert et insérez la valeur de votre impédance de source. Cela pourrait être extrait de mesures ou de simulations.

Peut-on utiliser à la fois une terminaison en série et en parallèle ?

Lorsque nous comparons la forme générale de la fonction de transfert de la résistance de terminaison en série, il devrait être très clair pourquoi nous n'ajoutons pas intentionnellement une résistance en parallèle lorsqu'il y a déjà une résistance en série. Si vous faites correspondre parfaitement avec une résistance en série discrète, et que vous faites également correspondre avec une résistance en parallèle, alors seulement la moitié du niveau de signal arrive sur la ligne et cela est absorbé par la résistance en parallèle. En d'autres termes, la tension vue à la charge est :

Si vous utilisez un composant avec un niveau de signal de 3,3 V et que le récepteur demande également un niveau de signal de 3,3 V, alors vous pourriez ne pas être en mesure d'utiliser à la fois une terminaison en série et en parallèle en même temps. Vous devriez examiner attentivement les seuils logiques dans le récepteur pour vous assurer que la tension à la charge n'est pas trop basse.

Le cas particulier est lorsque vous souhaitez passer d'une tension source à une tension de charge inférieure. Par exemple, avec une source de 3,3 V et une charge qui nécessite une amplitude de 1,8 V, le niveau de signal reçu à la charge serait de 1,65 V avec une terminaison en série et en parallèle. Cela pourrait être à l'extrémité inférieure de la tension requise pour être enregistré comme un état logique HAUT dans le récepteur. Nous pouvons trouver d'autres exemples de niveaux logiques courants où nous obtenons le même résultat.

Au lieu d'essayer de concevoir une réduction avec des résistances de terminaison, normalement vous changeriez entre deux niveaux de signal différents en utilisant un convertisseur de niveau. Ces composants sont conçus pour supporter des interfaces spécifiques ou ils peuvent être compatibles avec une gamme d'interfaces possibles. Ces composants accepteront différentes tensions d'alimentation et créeront une réplique du signal entrant à la sortie, mais à une tension supérieure ou inférieure. Un exemple pour le SN65DP159 de Texas Instruments est montré ci-dessous.

Cela s'applique-t-il également aux paires différentielles ?

La réponse est "oui" avec un astérisque ; si vous utilisez une paire différentielle, remplacez alors l'impédance caractéristique dans les fonctions de transfert ci-dessus par l'impédance en mode impair, et calculez la différence dans les signaux de polarité opposée du côté récepteur de l'interconnexion.

La plupart des interfaces différentielles ont des exigences spécifiques en matière de terminaison et d'impédance des pistes, ce qui est déjà implémenté sur la puce au côté émetteur de la ligne (au minimum). Lorsqu'un couplage DC est requis, cette terminaison sur puce du côté émetteur exclut l'utilisation d'une résistance en série. Dans d'autres cas, une terminaison parallèle pourrait être utilisée lorsque le composant récepteur n'a pas de terminaison sur puce, ce qui n'est pas courant. L'utilisation de terminaison (série, parallèle, ou les deux) peut encore être appliquée dans des cas spéciaux, mais cela serait spécifié dans les fiches techniques, déterminé par des tests, ou cela serait déjà inclus sur puce.

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