Napięcie i przebiegi prądowe na linii transmisyjnej z terminacją szeregową

W obu naszych książkach, Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Tomach 1 i 2, jak również w naszych kursach stacjonarnych i publicznych, mówimy o wartości linii transmisyjnej z terminacją szeregową. W tego typu linii transmisyjnej energia nie jest zużywana, chyba że linia jest ładowana. Umożliwia to przeprowadzanie wielu obliczeń przy minimalnym zużyciu energii. Jednak zrozumienie, jak działa ten typ linii, może być mylące i nieco zniechęcające. W szczególności wizualizacja działania tego procesu może być trudna. Celem tego artykułu jest wyjaśnienie działania tej linii transmisyjnej i dostarczenie grafik, które to demonstrują.

Podstawy

Linie transmisyjne z terminacją szeregową są główną metodą łączenia urządzeń CMOS o niezgodnej impedancji wyjściowej. W dalszej dyskusji wszystkie wspomniane urządzenia to urządzenia CMOS. Urządzenia CMOS faktycznie przyczyniły się do upadku technologii ECL, ponieważ w przypadku ECL, niezależnie od podjętych działań, linia zawsze pobierała energię i powodowała poważne problemy z chłodzeniem w dużych maszynach.

Rysunek 1 przedstawia typowy 5V sterownik CMOS z 50 Ohm linii transmisyjnej podłączonej do pasywnego odbiornika CMOS.

Odbiornik pasywny oznacza, że po prostu reaguje na przebieg napięcia podany na jego wejście. Dla celów tego wyjaśnienia, odbiorniki CMOS wyglądają jak bardzo małe kondensatory, które są uznawane za obwody otwarte. Tutaj, linia ma około 12 cali (30 cm) długości. Energia w PCB przemieszcza się z prędkością około sześciu cali na nanosekundę. Zatem, ta linia ma około dwóch nanosekund długości.

Schematyczne przedstawienie linii transmisyjnej na Rysunku 1 pokazano na Rysunku 2.

Jak widać, wzdłuż długości linii transmisyjnej rozłożone są pojemność, rezystancja i indukcyjność. Jak zauważono w poprzednich artykułach, te elementy są określane jako pasożyty, i określają one zachowanie linii transmisyjnej za pomocą stosunku indukcyjności na jednostkę długości do kondensatora na jednostkę długości. Zauważ, że pominięto na chwilę pasożytniczą konduktancję podłoża i tangens kąta strat, ponieważ nie są one tak krytyczne dla zrozumienia podstawowego kształtu przebiegów napięcia i prądu. Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości, ale nie tak wysokiej, abyśmy musieli martwić się o efekty skóry lub chropowatość miedzi, indukcyjność i pojemność określają impedancję linii, jak pokazano w Równaniu 1.

Uwaga: Przy wyborze sterowników dla linii transmisyjnych z zakończeniem szeregowym, impedancja wyjściowa sterownika musi być równa lub mniejsza niż impedancja linii transmisyjnej.

W równaniu 1, indukcyjność na jednostkę długości jest wyrażona jako Lo, a pojemność na jednostkę długości jest wyrażona jako Co. (Te dwie zmienne mogą być określone dla danego typu linii transmisyjnej za pomocą narzędzia takiego jak rozwiązywacz pola 2D). Równoważny obwód w T0 to źródło napięcia, a Rysunek 3 to równoważny obwód, gdy rozpoczyna się przejście z logiki 0 do logiki 1.

Dzielnik napięcia jest tworzony przez kombinację impedancji wyjściowej sterownika i zakończenia szeregowego w górnej części oraz impedancji linii transmisyjnej w dolnej części. Gdy zakończenie szeregowe zostało właściwie dobrane, kombinacja Zout i Zst będzie taka sama jak Zo. W tym przykładzie oba wynoszą 50 omów.

Rysunek 4 pokazuje przebiegi napięcia i prądu dla linii transmisyjnej z zakończeniem szeregowym na Rysunku 1, gdy sterownik przełącza się z logiki 0 na logikę 1.

Napięcie na początku linii transmisyjnej zakończonej szeregowo wynosi V/2, co oznacza połowę napięcia zasilania. W związku z tym, na wyjściu, pojemność jest ładowana do V/2. Jest to przedstawione na wykresie prądu pokazanym w dolnej części Rysunku 4 i może być pokazane przez łatwe obliczenie V przez dwa opory połączone szeregowo.

Uwaga: Prawo Ohma opisuje związek między prądem przepływającym przez opornik a napięciem na nim. Zasadniczo, prawo to stwierdza, że prąd w amperach jest równy napięciu w woltach na oporniku podzielonemu przez oporność w omach.

Gdy prąd dociera do dalszego końca linii transmisyjnej, która jest obwodem otwartym z kondensatorem szeregowym, napięcie podwaja się do pełnej wartości skali V. Pole EM jest odbijane z otwartego końca linii transmisyjnej i ładuje kondensator do pełnego napięcia V. Gdy pole EM wraca na początek linii, kondensator jest w pełni naładowany, a prąd spada do zera. Jest to widoczne w dolnej części Rysunku 4.

Ważne rzeczy, które należy mieć na uwadze na temat działania przedstawionego na Rysunku 4, obejmują:

• Obecny przebieg prądu na dole grafiki trwa dwa razy dłużej niż elektryczna długość linii transmisyjnej.
• Maksymalny prąd pobierany z podsystemu zasilania jest ustalany przez Zo linii transmisyjnej oraz napięcie zasilania.
• Iloczyn przebiegu prądu i przebiegu napięcia na wejściu do linii transmisyjnej to moc, która musi być dostarczona przez podsystem zasilania.
• Zawartość częstotliwościowa przebiegu nie jest ustalana przez częstotliwość zegara.

Podsumowanie

Najmniejsze zużycie energii w metodzie sygnalizacji logiki wysokiej prędkości osiąga się poprzez użycie linii transmisyjnej z zakończeniem szeregowym. Jest to metoda o najmniejszym zużyciu energii, ponieważ energia jest zużywana w obwodzie tylko wtedy, gdy linia logiczna jest przełączana z logiki 0 na logikę 1.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium i dowiedz się więcej o podejmowaniu decyzji projektowych z łatwością i pewnością.