Le comportement de commutation d'une ligne de transmission terminée en série

Les lignes terminées en série et les signaux différentiels servent de liaisons dans tous les dispositifs CMOS. Bien que j'aie beaucoup écrit sur la signalisation différentielle, son fonctionnement et ses avantages, je n'ai pas abordé le comportement de commutation d'une ligne terminée en série. C'est l'objectif de cet article.

Les bases

Les points saillants concernant une transmission terminée en série incluent les suivants :

• Dans ce type de ligne de transmission, une terminaison en série est placée à la sortie de chaque pilote.
• Elle offre la consommation d'énergie la plus faible pour un signal logique à haute vitesse.
  •     C'est la méthode de consommation d'énergie la plus faible parce que l'énergie est seulement consommée dans le circuit lorsqu'une ligne logique passe d'un 0 logique à un 1 logique.

Bien que les points précédents semblent être très directs, comprendre comment fonctionne une ligne de transmission terminée en série est vital pour garantir que les signaux sont correctement livrés à chaque récepteur. La figure 1 est un exemple typique d'un pilote CMOS 5V avec une ligne de transmission de 50 ohms connectée à un récepteur CMOS passif. Cela signifie que ce dispositif répond simplement à la forme d'onde de tension présentée à son entrée. Aux fins de cette explication, les récepteurs CMOS ressemblent à de très petits condensateurs qui peuvent être considérés comme des circuits ouverts. Dans cet exemple, la ligne mesure 12 pouces ou environ 30 cm de long. Sur un PCB, l'énergie se déplace à environ six pouces par nanoseconde, donc la ligne présentée ci-dessous est d'environ deux nanosecondes de long.

Figure 1. Une Ligne de Transmission CMOS Terminée en Série de 5 Volts

Figure 2. Circuit Équivalent pour la Ligne de Transmission Montrée dans Figure 1.

Comme on peut le voir dans la Figure 2, la capacité et l'inductance sont réparties le long de la ligne de transmission. Ces éléments sont les parasites, et ils déterminent le comportement d'une ligne de transmission avec le rapport de l'inductance par unité de longueur à la capacité par unité de longueur. Cela détermine l'impédance de la ligne qui est montrée dans l'Équation 1. Lo est l'inductance par unité de longueur, et Co est la capacité par unité de longueur. En utilisant un outil tel qu'un solveur de champ 2D (de nombreux solveurs de champ sont disponibles en tant que parties de divers outils d'intégrité de signal), ces deux variables sont déterminées pour une ligne de transmission particulière.

Équation 1. Impédance en fonction de la Capacité et de l'Inductance Distribuées

Lorsque le pilote dans la Figure 1 agit pour déplacer le niveau logique sur la ligne de transmission d'un logique 0 à un logique 1, il doit charger la capacité parasite distribuée de la ligne de transmission. C'est la puissance principale qui est consommée par les circuits logiques CMOS. Lorsque le même pilote agit pour déplacer le niveau logique d'un logique 1 à un logique 0, cette charge doit être retirée.

Lorsqu'un signal est envoyé le long d'un fil ou d'une ligne de transmission, l'énergie qu'il contient se présente sous forme de champ électromagnétique (EM). Cette énergie va voyager le long du chemin et sera réfléchie aux extrémités du chemin indéfiniment à moins qu'elle ne soit absorbée par une résistance de terminaison ou qu'elle ne soit progressivement perdue dans la résistance du conducteur. Si les extrémités du chemin sont des circuits ouverts, l'énergie réfléchie aura la même polarité que l'énergie incidente. Si les extrémités du chemin sont des courts-circuits, l'énergie réfléchie sera inversée.

Comment la Charge Sur une Ligne Logique la Fait Passer de Zéro à Un

Au moment où le pilote commence à faire passer la ligne logique de 0 à 1, le circuit équivalent dans la Figure 3 est formé. Comme on peut le voir, un diviseur de tension est formé par la combinaison de l'impédance de sortie du pilote et de la terminaison en série dans la partie supérieure et de l'impédance de la ligne de transmission dans la partie inférieure. Lorsque la terminaison en série a été choisie de manière appropriée, la combinaison de Zout et Zst sera la même que Zo. Dans cet exemple, les deux seront de 50 ohms, et la tension à l'entrée de la ligne de transmission sera V/2.

Figure 3. Circuit équivalent de la Figure 1 lorsque le commutateur passe de la logique 0 à la logique 1.

Figure 4 montre les formes d'onde de tension à l'entrée de la ligne de transmission et à l'entrée du récepteur au fil du temps.

Figure 4. Formes d'onde de commutation pour le circuit de la Figure 1

Cette figure contient les points de données suivants :

• La forme d'onde rouge est l'entrée de la ligne de transmission, et la forme d'onde orange est l'entrée du récepteur à l'extrémité de la ligne de transmission.
• Comme montré, le niveau de tension immédiatement après la transition de 0 à 1 est seulement de demi-taille.
• Cela est dû au diviseur de tension montré dans Figure 3.
• Ce niveau de tension est souvent appelé tension de "banc".
• De l'énergie sous forme de champ EM a été lancée dans la ligne de transmission.
• Cette énergie charge la capacité parasite de la ligne de transmission au niveau de tension de V/2 à mesure que le champ se propage dans la ligne de transmission.
• Après deux nanosecondes (la longueur électrique de la ligne de transmission), la ligne est complètement chargée à V/2, et le champ EM rencontre un circuit ouvert au niveau du récepteur. Lorsqu'un tel champ rencontre un circuit ouvert, aucune de l'énergie présente dans le champ n'est absorbée. Au lieu de cela, elle est réfléchie à la même magnitude qu'elle avait lorsqu'elle était en phase d'émission.
• Au moment de la réflexion totale, le niveau de tension à l'extrémité de la ligne est de V/2. Puisque la magnitude de tension du champ EM est de V/2, après la réflexion totale, l'amplitude sera de V. Comme on peut le voir, la forme d'onde orange a une amplitude de V dès que le champ EM arrive à l'extrémité de la ligne. Sur le trajet de retour, la capacité parasite de la ligne de transmission est chargée jusqu'à V. Une fois que le champ EM retourne au driver, il rencontre le circuit équivalent montré dans la Figure 5.

Figure 5. Circuit Équivalent de la Figure 1 alors que l'Onde Réfléchie Revient au Driver

Il convient de noter qu'une source de tension, comme montré dans la Figure 5, a une impédance nulle.

Étant donné que la somme de Zout et Zst est de 50 ohms, et que la source de tension est un court-circuit, ensemble, ils constituent une terminaison parallèle qui a la même valeur que l'impédance de la ligne de transmission. En conséquence, toute l'énergie dans le champ EM est absorbée, et le niveau de tension sur la ligne de transmission se stabilise à 5 volts, ce qui est un logique 1 idéal pour ce circuit.

Note : Lorsqu'une résistance a la même valeur que l'impédance d'une ligne de transmission et est placée aux extrémités de cette ligne, toute l'énergie dans le champ électromagnétique sera absorbée par cette résistance. Il n'y aura plus de réflexions, et cette résistance est étiquetée comme une terminaison parallèle.

Le Processus de Passage d'un Logique 1 à un Logique 0

Lorsque le circuit dans la Figure 1 passe d'un logique 1 à un logique 0, le pilote est chargé de retirer la charge sur la capacité de la ligne qui a été mise en place pour la faire passer d'un logique 0 à un logique 1. Cela se produit lorsque le niveau du pilote passe en interne de 5V à 0V. Comme pour la transition d'un logique 0 à un logique 1, le circuit équivalent est celui représenté dans la Figure 3, mais, maintenant, la ligne est à 5V et l'impédance de sortie et la résistance de terminaison en série sont connectées à 0V. Ainsi, le diviseur de tension fonctionne comme il le faisait auparavant.

En conséquence de ce qui précède, la tension de ligne est déplacée à V/2 et la charge sous forme de champ EM est retirée de la capacité de ligne à ce niveau alors que l'énergie se déplace le long de la ligne. (Le niveau de tension de cette transition est de –V/2.) Lorsque le champ EM arrive au bout de la ligne de transmission deux nanosecondes plus tard, il rencontre un circuit ouvert et est réfléchi le long de la ligne. Après la réflexion, la ligne est à 0V. Deux nanosecondes plus tard, le champ EM revient au niveau du conducteur et rencontre le circuit montré dans Figure 4, et il est absorbé.

Comme on peut le voir, la forme d'onde de tension au niveau du récepteur (orange) est le signal logique carré souhaité et approprié (c'est l'objectif de ce chemin de signal). Cette méthode de signalisation est connue sous le nom de commutation par "onde réfléchie" car l'onde réfléchie crée le niveau logique correct lorsqu'elle effectue son aller-retour le long de la ligne de transmission. C'est la méthode de signalisation logique qui consomme le moins d'énergie car le courant n'est prélevé du système d'alimentation que pendant la charge de la ligne. Une fois que la ligne a été complètement chargée à un logique 1, la consommation de courant tombe à 0. C'est la méthode de commutation qui est utilisée avec le bus PCI intégré dans la plupart des ordinateurs personnels.

De plus, notez que la forme d'onde de tension à la sortie du pilote est dans un état logique indéterminé (V/2) pendant le temps qui correspond au délai de propagation aller-retour le long de la ligne de transmission à chaque commutation. Si des charges sont placées le long de la ligne de transmission, comme c'est le cas avec le bus PCI, elles ne connaissent pas de condition de "données valides" tant que l'onde réfléchie ne les a pas dépassées lors du trajet de retour. Par conséquent, l'horloge des données à ces entrées doit être retardée jusqu'à ce que les données soient valides à toutes les entrées. C'est ainsi que les données sont horlogées sur le bus PCI ainsi que sur d'autres protocoles de bus qui dépendent de la commutation par onde réfléchie.

Que se passe-t-il lorsque l'impédance de commande et l'impédance de ligne ne correspondent pas ?

Le circuit montré dans la Figure 6 est le même que celui montré dans la Figure 1, sauf que la terminaison en série n'a pas été insérée en série avec la sortie.

Figure 6. Circuit CMOS de 5 volts sans terminaison en série

La figure 7 montre la forme d'onde de commutation pour la transition d'un 0 logique à un 1 logique. Comme le montre la figure, la tension de référence est bien supérieure à V/2. En fait, elle est de 2V/3 ou les 2/3 du total de 5 volts, soit 3,33V. Cela est dû au diviseur de tension dans la Figure 3 qui a une résistance supérieure de 25 ohms ou Zout du pilote et une résistance ou impédance inférieure de 50 ohms. Cela produit le niveau de tension des 2/3.

Figure 7. Forme d'onde de tension pour le circuit dans la Figure 6

Dans la figure 7, le champ EM charge la capacité de la ligne à la même valeur qu'auparavant. Lorsque le champ EM arrive au récepteur deux nanosecondes après avoir été généré, il est réfléchi, doublant la tension à 6,66V. Comme auparavant, le champ EM charge la capacité de la ligne jusqu'à 6,66V. Après deux autres nanosecondes, le champ EM arrive de nouveau au conducteur et rencontre la terminaison montrée dans la figure 5. Cependant, la terminaison parallèle est de 25 ohms, et non de 50 ohms. Cela signifie deux choses. Premièrement, cette fois-ci, le diviseur de tension est de 50 ohms en haut et de 25 ohms en bas. Étant donné que la valeur du terminateur en série est de zéro ohm, la tension est divisée. La deuxième chose qui se produit est que toute l'énergie n'est pas absorbée.

Comme auparavant, la quantité d'énergie va doubler le niveau de tension au récepteur et voyager de nouveau vers le conducteur. Lorsqu'elle arrive au conducteur, une partie est absorbée, et le reste est réfléchi en inversion. Cela continue jusqu'à ce que toute l'énergie ait été absorbée dans l'impédance de sortie du conducteur, et le niveau logique se stabilise à 5V. Cela peut être vu dans la figure 7.

Note : En approfondissant un peu plus le sujet, lorsqu'une terminaison parallèle ne correspond pas à l'impédance de la ligne de transmission sur laquelle elle est placée, elle n'absorbera pas toute l'énergie réfléchie le long de la LT. Si la valeur de cette terminaison est supérieure à l'impédance de la LT, l'énergie sera réfléchie avec la même polarité que l'onde incidente. Cela est souvent appelé dépassement. Si la valeur de cette terminaison est inférieure à l'impédance de la LT, l'énergie qui est réfléchie deux nanosecondes plus tard sera inversée et sera de polarité opposée à celle de l'onde incidente. Cela est souvent appelé sous-dépassement.

Il y a deux problèmes avec la forme d'onde dans la Figure 7. Premièrement, la tension monte à 1,66 volts au-dessus de Vdd. Cette tension excessive peut provoquer des défaillances logiques ou endommager le récepteur. Deuxièmement, après que le signal soit revenu au conducteur et soit inversé, cela fera chuter la logique 1 au niveau du récepteur en dessous de 4 volts. Cela diminue la logique un à un niveau qui pourrait entraîner une défaillance logique. Aucune de ces situations n'est bonne. C'est pourquoi une terminaison en série est ajoutée à un circuit comme celui-ci.

La figure 8 montre la forme d'onde lorsque le signal passe à un état logique 0. Comme on peut le voir, les mêmes violations logiques se produisent dans cet état logique.

Figure 8. Forme d'onde de commutation du circuit présenté dans la Figure 6 avec les deux transitions logiques

Résumé

En plus de la signalisation différentielle, les lignes de transmission terminées en série servent de liens dans les dispositifs CMOS. Ce type de ligne de transmission offre la consommation d'énergie la plus faible pour un signal à haute vitesse. Comprendre comment fonctionne une ligne de transmission terminée en série et comment elle est chargée et déchargée aide à maintenir la qualité du signal et assure que la ligne fonctionnera comme conçu et construit.

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Références :

1. Ritchey, Lee W., et Zasio, John J., Right the First Time, Un Manuel Pratique sur la Conception de PCB et de Systèmes à Haute Vitesse, Volumes 1 et 2.