Formes d'onde de tension et de courant sur une ligne de transmission terminée en série

Dans nos deux livres, Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, volumes 1 et 2, ainsi que dans nos cours publics et sur site, nous parlons de la valeur d'une ligne de transmission terminée en série. Avec ce type de ligne de transmission, aucune puissance n'est utilisée à moins que la ligne ne soit en charge. Cela permet d'effectuer beaucoup de calculs avec un minimum de puissance. Mais avoir une compréhension claire de la façon dont ce type de ligne fonctionne peut être déroutant et un peu intimidant. En particulier, visualiser comment cette opération fonctionne peut être difficile. Le but de cet article est de clarifier le fonctionnement de cette ligne de transmission et de fournir des graphiques qui le démontrent.

Les Bases

Les lignes de transmission terminées en série sont la méthode principale pour connecter les dispositifs CMOS avec une impédance de sortie non appariée. Dans la discussion suivante, tous les dispositifs mentionnés sont des dispositifs CMOS. Les dispositifs CMOS ont en fait conduit à la disparition de la technologie ECL car avec l'ECL, quoi qu'on fasse, la ligne consommait toujours de la puissance et causait de graves problèmes de refroidissement avec les grandes machines.

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.

Un récepteur passif signifie qu'il répond simplement à la forme d'onde de tension présentée à son entrée. Aux fins de cette explication, les récepteurs CMOS apparaissent comme de très petits condensateurs qui sont considérés comme des circuits ouverts. Ici, la ligne mesure environ 12 pouces (30 cm) de long. L'énergie dans un PCB se déplace approximativement de six pouces par nanoseconde. Ainsi, cette ligne mesure environ deux nanosecondes de long.

La représentation schématique de la ligne de transmission dans la Figure 1 est montrée dans la Figure 2.

Comme on peut le voir, il y a capacité, résistance et inductance réparties le long de la longueur de la ligne de transmission. Comme noté dans des articles précédents, ces éléments sont appelés parasitiques, et ils établissent le comportement d'une ligne de transmission avec le rapport de l'inductance par unité de longueur au condensateur par unité de longueur. Notez que la conductance parasitaire du substrat et l'angle de perte ont été ignorés pour le moment car ils ne sont pas si critiques pour comprendre la forme de base des formes d'onde de tension et de courant. À une fréquence suffisamment élevée, mais pas si élevée que nous nous préoccupions des effets de peau ou de la rugosité du cuivre, l'inductance et la capacité déterminent l'impédance de la ligne, comme le montre l'Équation 1.

Note : Lors de la sélection des pilotes pour les lignes de transmission terminées en série, l'impédance de sortie du pilote doit être égale ou inférieure à l'impédance de la ligne de transmission.

Dans l'Équation 1, l'inductance par unité de longueur est exprimée par Lo, et la capacité par unité de longueur est exprimée par Co. (Ces deux variables peuvent être déterminées pour un type de ligne de transmission donné à l'aide d'un outil tel qu'un solveur de champ 2D). Le circuit équivalent à T0 est la source de tension, et la Figure 3 est le circuit équivalent lorsque la transition d'un logique 0 à un logique 1 commence.

Le 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 correctement choisie, la combinaison de Zout et Zst sera la même que Zo. Dans cet exemple, les deux sont de 50 ohms.

La Figure 4 montre les formes d'onde de tension et de courant pour la ligne de transmission terminée en série dans la Figure 1 alors que le pilote bascule d'un logique 0 à un logique 1.

La forme d'onde de tension commençant le long de la ligne de transmission terminée en série est V/2, ce qui représente la moitié de la tension d'alimentation. Ainsi, en sortie, la capacité est chargée à V/2. Ceci est représenté par la forme d'onde du courant montrée dans la partie inférieure de la Figure 4 et peut être démontré par le calcul facile de V sur les deux résistances en série.

Note : La loi d'Ohm décrit la relation entre le courant traversant une résistance et la tension à travers celle-ci. Fondamentalement, la loi stipule que le courant en ampères est égal à la tension en volts à travers une résistance divisée par la résistance en ohms.

Lorsque le courant atteint l'extrémité lointaine de la ligne de transmission, qui est un circuit ouvert avec un condensateur en dérivation, la tension double pour atteindre la valeur pleine échelle de V. Le champ EM est réfléchi depuis l'extrémité ouverte de la ligne de transmission, et il charge la capacité jusqu'au reste du chemin vers V. Lorsque le champ EM revient au début de la ligne, la capacité est entièrement chargée, et le courant tombe à zéro. Ceci est visible dans la partie inférieure de la Figure 4.

Des points importants à garder à l'esprit concernant le fonctionnement décrit dans la Figure 4 incluent :

• La forme d'onde actuelle en bas du graphique dure deux fois la longueur électrique de la ligne de transmission.
• Le courant maximal tiré du sous-système d'alimentation est déterminé par l'impédance caractéristique (Zo) de la ligne de transmission et la tension d'alimentation.
• Le produit de la forme d'onde du courant et de la forme d'onde de la tension à l'entrée de la ligne de transmission est la puissance qui doit être fournie par le sous-système d'alimentation.
• Le contenu fréquentiel de la forme d'onde n'est pas déterminé par la fréquence d'horloge.

Résumé

La méthode de consommation de puissance la plus basse pour la signalisation logique à haute vitesse implique l'utilisation d'une ligne de transmission terminée en série. C'est la méthode de consommation de puissance la plus basse parce que l'énergie est seulement consommée dans le circuit lorsqu'une ligne logique est basculée d'un logique 0 à un logique 1.

Voulez-vous en savoir plus sur comment Altium peut vous aider avec votre prochain design de PCB ? Parlez à un expert chez Altium et découvrez comment prendre des décisions de conception avec aisance et confiance.