Forme d'onda di tensione e corrente su una linea di trasmissione terminata in serie

Nei nostri due libri, Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volumi 1 e 2, così come nei nostri corsi sul posto e pubblici, parliamo del valore di una linea di trasmissione terminata in serie. Con questo tipo di linea di trasmissione, non viene utilizzata energia a meno che la linea non sia in fase di carica. Questo consente di effettuare molti calcoli con un minimo di energia. Tuttavia, avere una chiara comprensione di come funziona questo tipo di linea può essere confuso e un po' scoraggiante. In particolare, visualizzare come funziona questa operazione può essere difficile. Lo scopo di questo articolo è di chiarire il funzionamento di questa linea di trasmissione e fornire grafiche che lo dimostrino.

I Fondamenti

Le linee di trasmissione terminate in serie sono il metodo principale per collegare dispositivi CMOS con impedenza di uscita non abbinata. Nella seguente discussione, tutti i dispositivi menzionati sono dispositivi CMOS. I dispositivi CMOS hanno effettivamente portato alla fine della tecnologia ECL perché con l'ECL, indipendentemente da ciò che veniva fatto, la linea ha sempre consumato energia e causato gravi problemi di raffreddamento con macchine di grandi dimensioni.

La Figura 1 mostra un tipico driver CMOS a 5V con una linea di trasmissione da 50 Ohm collegata a un ricevitore CMOS passivo.

Un ricevitore passivo significa che semplicemente risponde alla forma d'onda di tensione presentata al suo ingresso. Ai fini di questa spiegazione, i ricevitori CMOS appaiono come piccolissimi condensatori che sono considerati circuiti aperti. Qui, la linea è lunga circa 12” (30 cm). L'energia in un PCB viaggia approssimativamente sei pollici per nanosecondo. Quindi, questa linea è lunga circa due nanosecondi.

La rappresentazione schematica della linea di trasmissione in Figura 1 è mostrata in Figura 2.

Come si può vedere, c'è capacità, resistenza e induttanza distribuite lungo la lunghezza della linea di trasmissione. Come notato in articoli precedenti, questi elementi sono definiti parassiti, e stabiliscono il comportamento di una linea di trasmissione con il rapporto dell'induttanza per unità di lunghezza al condensatore per unità di lunghezza. Si noti che la conduttanza parassita del substrato e l'angolo di perdita sono stati ignorati per il momento poiché non sono così critici per comprendere la forma di base delle forme d'onda di tensione e corrente. A frequenze sufficientemente alte, ma non così alte da dover considerare gli effetti pellicolari o la rugosità del rame, l'induttanza e la capacità determinano l'impedenza della linea, come mostrato nell'Equazione 1.

Nota: Quando si selezionano i driver per le linee di trasmissione terminate in serie, l'impedenza di uscita del driver deve essere uguale o inferiore all'impedenza della linea di trasmissione.

Nell'Equazione 1, l'induttanza per unità di lunghezza è espressa come Lo, e la capacità per unità di lunghezza è espressa come Co. (Queste due variabili possono essere determinate per un dato tipo di linea di trasmissione utilizzando uno strumento come un risolutore di campo 2D). Il circuito equivalente a T0 è la sorgente di tensione, e la Figura 3 è il circuito equivalente quando inizia la transizione da un logico 0 a un logico 1.

Il partitore di tensione è formato dalla combinazione dell'impedenza di uscita del driver e della terminazione in serie nella parte superiore e dall'impedenza della linea di trasmissione nella parte inferiore. Quando la terminazione in serie è stata scelta correttamente, la combinazione di Zout e Zst sarà la stessa di Zo. In questo esempio, entrambi sono 50 ohm.

La Figura 4 mostra le forme d'onda di tensione e corrente per la linea di trasmissione terminata in serie nella Figura 1 mentre il driver passa da un logico 0 a un logico 1.

La forma d'onda della tensione che inizia lungo la linea di trasmissione terminata in serie è V/2, che rappresenta metà della tensione di alimentazione. Quindi, in uscita, la capacità viene caricata a V/2. Questo è rappresentato dalla forma d'onda della corrente mostrata nella parte inferiore della Figura 4 e può essere dimostrato dal facile calcolo di V sulle due resistenze in serie.

Nota: La legge di Ohm descrive la relazione tra la corrente attraverso una resistenza e la tensione su di essa. Fondamentalmente, la legge afferma che la corrente in ampere è uguale alla tensione in volt attraverso una resistenza divisa per la resistenza in ohm.

Quando la corrente arriva all'estremo lontano della linea di trasmissione, che è un circuito aperto con un condensatore shunt, la tensione raddoppia al valore pieno di V. Il campo EM viene riflesso indietro dall'estremità aperta della linea di trasmissione, e sta caricando la capacità fino al resto della strada fino a V. Quando il campo EM arriva di nuovo all'inizio della linea, la capacità è completamente carica, e la corrente va a zero. Questo è visto nella parte inferiore della Figura 4.

Le cose importanti da tenere a mente riguardo al funzionamento rappresentato nella Figura 4 includono:

• La forma d'onda corrente nella parte inferiore del grafico dura due volte la lunghezza elettrica della linea di trasmissione.
• La corrente massima prelevata dal sottosistema di alimentazione è determinata dall'impedenza caratteristica (Zo) della linea di trasmissione e dalla tensione di alimentazione.
• Il prodotto della forma d'onda della corrente e della forma d'onda della tensione all'ingresso della linea di trasmissione è la potenza che deve essere fornita dal sottosistema di alimentazione.
• Il contenuto in frequenza della forma d'onda non è determinato dalla frequenza di clock.

Riassunto

Il metodo di consumo di potenza più basso per la segnalazione logica ad alta velocità implica l'uso di una linea di trasmissione terminata in serie. Questo è il metodo di consumo di potenza più basso perché l'energia viene consumata nel circuito solo quando una linea logica passa da uno stato logico 0 a uno stato logico 1.

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