È possibile utilizzare terminazioni in serie e in parallelo sulla stessa rete?

Le terminazioni in serie e in parallelo sono le opzioni di terminazione resistiva più comuni per la segnalazione digitale. Il motivo è che la resistenza è una quantità a banda larga e non inizia ad essere influenzata dai parassiti fino a quando non si entra nell'intervallo dei GHz. Alla larghezza di banda del canale associata alla maggior parte dei segnali digitali, ci sono casi in cui una linea non terminata necessita effettivamente di una terminazione, anche se non esiste una specifica di impedenza nell'interfaccia.

Essendo entrambe le opzioni praticabili per i segnali digitali, quale di queste dovresti usare per terminare una lunga linea di trasmissione senza specifica di impedenza? A volte c'è la percezione che entrambe dovrebbero essere usate, o che entrambe possono essere usate su ogni rete. Ci sono casi in cui entrambe possono essere utilizzate contemporaneamente, ma tipicamente ne viene scelta solo una poiché può eliminare la necessità dell'altra.

In questo articolo, esaminerò la segnalazione coinvolta sia nelle terminazioni in serie che in parallelo, e il caso speciale in cui potresti vedere entrambe le terminazioni.

Terminazioni in Serie e in Parallelo Tramite Funzioni di Trasferimento

La spiegazione fornita di seguito non sarà basata sulla dinamica dei segnali in sé. Per questo, potete leggere questo ottimo articolo di Kella Knack che mostra esempi di forme d'onda. Invece, guarderò dalla prospettiva della funzione di trasferimento per mostrare esattamente cosa succede ai livelli di tensione in una linea di trasmissione. Questo rivela anche l'effetto della larghezza di banda sui segnali digitali.

Quello che mostrerò di seguito riguardo queste due terminazioni e perché spesso non vengono utilizzate insieme sulla stessa rete si basa sulle seguenti ipotesi:

• Le interfacce non hanno un obiettivo di impedenza specificato, il che significa che l'impedenza della traccia potrebbe essere qualsiasi
• L'impedenza del driver è generalmente un valore basso, e l'impedenza del carico è modellata come una semplice capacità di carico
• L'impedenza in uscita del driver è nota o può essere determinata, ad esempio tramite misurazione o simulazione (IBIS)

Ora esaminiamo ciascuna di queste terminazioni in dettaglio.

Funzione di Trasferimento della Terminazione in Serie

Il circuito mostrato di seguito illustra il formalismo utilizzato per determinare la funzione di trasferimento della linea di trasmissione dai parametri ABCD. Nota che potremmo anche usare i parametri S, ma i parametri ABCD sono molto più semplici.

La funzione di trasferimento è il rapporto tra la tensione di carico e la tensione di sorgente. La grande utilità di un approccio basato sulla funzione di trasferimento è che la tensione di carico è esplicitamente definita in termini di impedenza della sorgente come mostrato sopra. Ora possiamo sostituire le nostre impedenze di sorgente e qualsiasi resistenza in serie.

Quando la resistenza in serie è utilizzata per terminare perfettamente la linea di trasmissione, la resistenza è dimensionata per essere R = ZS - Z0. Questa resistenza è normalmente posizionata al pin IO del driver, e ora abbiamo la relazione dove l'impedenza totale della sorgente è ZS = Z0 poiché questa è la nuova impedenza di uscita totale. Utilizzando la definizione dei parametri ABCD per una linea di trasmissione, abbiamo:

Qui, abbiamo una funzione di trasferimento che sembra un partitore di tensione che coinvolge l'impedenza di carico e l'impedenza della linea di trasmissione. La tensione al carico è:

Se prendiamo l'impedenza di carico e la rendiamo molto grande, avremmo il seguente valore per la tensione al carico:

Questo si applica all'interno della larghezza di banda del canale come definita dalla capacità di carico. Come viene influenzato il segnale proveniente dal driver dopo aver interagito con l'impedenza sorgente totale, che include il resistore in serie? Se si utilizza la definizione dei parametri ABCD e si calcola V1, si ottiene il seguente risultato se ZS + R = Z0:

Ora vediamo la funzione del resistore in serie: quando perfettamente abbinato, l'impedenza sorgente e l'impedenza della traccia agiscono come un divisore di tensione. Se l'impedenza sorgente è inferiore o superiore all'impedenza della traccia, osserveremmo un overshoot o un undershoot dopo la riflessione sul carico.

È solo attraverso la riflessione sul carico che il livello del segnale dimezzato viene ripristinato al livello pieno. Questo è il motivo per cui tipicamente non applicheremmo anche una terminazione parallela sulla stessa rete quando la tensione del ricevitore deve vedere lo stesso valore della tensione sorgente. Ora esaminiamo la terminazione parallela da sola.

Terminazione Parallela

Con la terminazione parallela, l'intero punto è sopprimere la riflessione sul ricevitore, come ho menzionato sopra. In un bus specificato per impedenza, la terminazione è solitamente posizionata sul die del semiconduttore. In un caso più generale, come con certi driver di linea, l'impedenza non è specificata e quindi la terminazione potrebbe dover essere applicata manualmente.

La terminazione parallela senza terminazione con resistore in serie funziona nel seguente modo:

• Poiché non c'è un resistore in serie, la funzione di divisione della tensione fa sì che l'intero segnale venga posto sulla linea di trasmissione (V1 = VS)
• Il segnale poi si propaga al carico e non riflette, quindi viene totalmente assorbito attraverso il resistore parallelo

Se assumiamo un'impedenza di sorgente perfetta di ZS = 0, la funzione di trasferimento per la terminazione parallela fornisce la seguente relazione per le tensioni di carico e di sorgente:

Con la terminazione parallela, vediamo che c'è un fattore 2 nel numeratore. Il circuito di terminazione crea una resistenza in parallelo con una capacità di carico, dove la resistenza è R = Z0. All'interno del limite di banda di frequenza del ginocchio del canale come definito da quel carico capacitivo, l'impedenza di carico è molto vicina alla resistenza parallela. Questo ci dà nuovamente la tensione vista al carico quando R = Z0 e quindi ZL = Z0:

Di nuovo, torniamo al segnale pieno di forza che abbiamo inviato nell'interconnessione.

Se l'impedenza della sorgente non è zero, torna nella definizione della funzione di trasferimento e inserisci il valore per la tua impedenza di sorgente. Questo potrebbe essere estratto da misurazioni o da simulazioni.

È possibile utilizzare sia la terminazione in serie che quella in parallelo?

Quando confrontiamo la forma generale della funzione di trasferimento del resistore di terminazione in serie, dovrebbe essere molto chiaro perché non posizioniamo intenzionalmente anche un resistore in parallelo quando c'è già un resistore in serie. Se si ottiene una corrispondenza perfetta con un resistore in serie discreto, e poi si ottiene anche una corrispondenza con un resistore in parallelo, solo metà del livello del segnale arriva sulla linea e questo viene assorbito dal resistore in parallelo. In altre parole, la tensione vista al carico è:

Se si utilizza un componente con un livello di segnale di 3,3 V e anche il ricevitore richiede un livello di segnale di 3,3 V, allora potrebbe non essere possibile utilizzare contemporaneamente la terminazione in serie e quella in parallelo. Bisognerebbe esaminare attentamente le soglie logiche nel ricevitore per assicurarsi che la tensione al carico non sia troppo bassa.

Il caso limite si verifica quando si intende ridurre una tensione di alimentazione a una tensione di carico inferiore. Ad esempio, con una sorgente di 3,3 V e un carico che necessita di un'ampiezza di 1,8 V, il livello di segnale ricevuto al carico sarebbe di 1,65 V con entrambe le terminazioni, serie e parallela. Questo potrebbe essere al limite inferiore della tensione richiesta per registrarsi come stato logico ALTO nel ricevitore. Possiamo trovare altri esempi di livelli logici comuni dove otteniamo lo stesso risultato.

Invece di cercare di ingegnerizzare una riduzione con resistori di terminazione, normalmente si cambierebbe tra due diversi livelli di segnale utilizzando uno shift di livello. Questi componenti sono progettati per supportare interfacce specifiche o possono essere compatibili con una gamma di interfacce possibili. Questi componenti accetteranno diverse tensioni di alimentazione e creeranno una replica del segnale in entrata in uscita, ma a una tensione più alta o più bassa. Un esempio per il SN65DP159 di Texas Instruments è mostrato di seguito.

Questo si applica anche alle coppie differenziali?

La risposta è "sì" con un asterisco; se si utilizza una coppia differenziale, sostituire l'impedenza caratteristica nelle funzioni di trasferimento sopra indicate con l'impedenza in modo dispari e calcolare la differenza nei segnali di polarità opposta sul lato ricevente dell'interconnessione.

La maggior parte delle interfacce differenziali ha specifici requisiti di terminazione e requisiti di impedenza delle tracce, che sono già implementati on-die sul lato driver della linea (al minimo). Quando è richiesto l'accoppiamento DC, quella terminazione on-die sul lato driver esclude l'uso di una resistenza in serie. In altri casi, la terminazione parallela potrebbe essere utilizzata quando il componente ricevente non ha una terminazione on-die, il che non è comune. L'uso della terminazione (in serie, parallela o entrambe) può comunque essere applicato in casi speciali, ma sarebbe specificato nei datasheet, determinato tramite test, o sarebbe già incluso on-die.

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