Поведение коммутации последовательно-терминированной линии передачи

Линии с последовательным оконечным сопротивлением и дифференциальные сигналы служат связующими элементами во всех устройствах CMOS. Хотя я много писал о дифференциальной передаче сигналов, её принципах работы и преимуществах, я не затрагивал вопрос о поведении линии с последовательным оконечным сопротивлением при коммутации. Это и является целью данной статьи.

Основы

Основные моменты, касающиеся линии передачи с последовательным оконечным сопротивлением, включают в себя следующее:

• В таком типе линии передачи последовательное оконечное сопротивление устанавливается на выходе каждого драйвера.
• Это обеспечивает наименьшее потребление энергии для высокоскоростного логического сигнала.
  •     Это метод с наименьшим потреблением энергии, потому что энергия потребляется в схеме только тогда, когда логическая линия переключается с логического 0 на логический 1.

Хотя предыдущие пункты кажутся очень простыми, понимание принципа работы последовательно-терминированной линии передачи имеет решающее значение для обеспечения правильной доставки сигналов каждому приемнику. На рисунке 1 представлен типичный 5В-CMOS драйвер с подключенной 50-омной линией передачи к пассивному CMOS приемнику. Это означает, что это устройство просто реагирует на форму волны напряжения, представленную на его входе. Для целей этого объяснения, CMOS приемники выглядят как очень маленькие конденсаторы, которые можно считать разомкнутыми цепями. В этом примере линия имеет длину 12 дюймов или около 30 см. В печатной плате энергия распространяется примерно на шесть дюймов за наносекунду, так что представленная ниже линия имеет длину около двух наносекунд.

Рисунок 1. Последовательно-терминированная CMOS линия передачи на 5 вольт

Рисунок 2. Эквивалентная схема для линии передачи, показанной на Рисунке 1.

Как видно на Рисунке 2, ёмкость и индуктивность распределены вдоль всей длины линии передачи. Эти элементы являются паразитными, и они определяют поведение линии передачи с отношением индуктивности на единицу длины к ёмкости на единицу длины. Это определяет импеданс линии, который показан в Уравнении 1. Lo - это индуктивность на единицу длины, а Co - ёмкость на единицу длины. Используя инструмент, такой как 2D-полевой решатель (многие полевые решатели доступны как части различных инструментов для проверки целостности сигнала), эти две переменные определяются для конкретной линии передачи.

Уравнение 1. Импеданс как функция распределённой ёмкости и индуктивности

Когда драйвер на Рисунке 1 действует для изменения логического уровня на линии передачи с логического 0 на логический 1, он должен зарядить распределённую паразитную ёмкость линии передачи. Это основная мощность, потребляемая схемами CMOS логики. Когда тот же драйвер действует для изменения логического уровня с логического 1 на логический 0, этот заряд должен быть удалён.

Когда сигнал передается по проводу или линии передачи, энергия в нем находится в форме электромагнитного (ЭМ) поля. Эта энергия будет двигаться по пути и отражаться на концах пути бесконечно, если она не будет поглощена завершающим резистором или медленно теряется в сопротивлении проводника. Если концы пути являются разомкнутыми цепями, отраженная энергия будет той же полярности, что и падающая энергия. Если концы пути являются замкнутыми цепями, отраженная энергия будет инвертирована.

Как заряд на логической линии перемещает ее с нуля на единицу

В момент, когда драйвер начинает перемещать логическую линию с 0 на 1, формируется эквивалентная схема в Рисунке 3. Как видно, делитель напряжения образован сочетанием выходного импеданса драйвера и последовательного завершения в верхней части и импеданса линии передачи в нижней части. Когда последовательное завершение было правильно выбрано, комбинация Zout и Zst будет такой же, как Zo. В этом примере оба будут 50 ом, и напряжение на входе в линию передачи будет V/2.

Рисунок 3. Эквивалентная схема Рисунка 1 при переключении драйвера с логического 0 на логический 1.

Рисунок 4 показывает формы напряжения на входе в линию передачи и на входе в приемник по мере течения времени.

Рисунок 4. Формы сигналов переключения для схемы на Рисунке 1

На этом рисунке представлены следующие данные:

• Красная форма сигнала - это вход в линию передачи, а оранжевая форма сигнала - это вход в приемник на конце линии передачи.
• Как показано, уровень напряжения сразу после перехода с 0 на 1 составляет только половину.
• Это связано с делителем напряжения, показанным на Рисунке 3.
• Этот уровень напряжения часто называют "промежуточным" напряжением.
• Энергия в форме ЭМ поля была запущена в линию передачи.
• Эта энергия заряжает паразитную емкость линии передачи до уровня напряжения V/2 по мере распространения поля по линии передачи.
• Через два наносекунды (электрическая длина линии передачи) линия полностью заряжается до V/2, и ЭМ поле сталкивается с разомкнутой цепью на приемнике. Когда такое поле встречает разомкнутую цепь, ни одна из энергий в поле не поглощается. Вместо этого она отражается с той же величиной, что и при исходящем движении.
• В момент полного отражения, уровень напряжения на конце линии составляет V/2. Поскольку величина напряжения ЭМ поля равна V/2, после полного отражения амплитуда будет V. Как видно, амплитуда оранжевого волнового фронта достигает V, как только ЭМ поле прибывает к концу линии. Во время обратного пути паразитная емкость линии передачи заряжается до V. Как только ЭМ поле возвращается к источнику, оно сталкивается с эквивалентной схемой, показанной на Рисунке 5.

Рисунок 5. Эквивалентная схема Рисунка 1, когда отраженная волна возвращается к источнику

Следует отметить, что источник напряжения, как показано на Рисунке 5, имеет нулевое сопротивление.

Поскольку сумма Zout и Zst составляет 50 Ом, а источник напряжения является коротким замыканием, вместе они образуют параллельное завершение, которое имеет такое же значение, как импеданс линии передачи. В результате вся энергия в ЭМ поле поглощается, и уровень напряжения на линии передачи стабилизируется на 5 вольтах, что является идеальной логической единицей для этой схемы.

Примечание: Когда резистор имеет такое же значение, как импеданс линии передачи, и размещается на концах этой линии, вся энергия в электромагнитном поле будет поглощена этим резистором. Дальнейшие отражения отсутствуют, и этот резистор обозначается как параллельное завершение.

Процесс переключения с логической 1 на логический 0

Когда цепь на Рисунке 1 переключается с логической 1 на логический 0, задача драйвера заключается в удалении заряда на емкости линии, который был там размещен для перехода с логического 0 на логическую 1. Это происходит, когда уровень драйвера внутренне перемещается с 5В на 0В. Как и при переходе с логического 0 на логическую 1, эквивалентная схема такая же, как показано на Рисунке 3, но теперь линия находится под 5В, а выходное сопротивление и последовательный завершающий резистор подключены к 0В. Таким образом, делитель напряжения работает так же, как и раньше.

В результате вышеизложенного напряжение на линии перемещается к V/2, и заряд в форме ЭМ поля удаляется из емкости линии до этого уровня по мере перемещения энергии вдоль линии. (Уровень напряжения этого перехода составляет –V/2.) Когда ЭМ поле достигает конца линии передачи через две наносекунды, оно сталкивается с разомкнутой цепью и отражается обратно вниз по линии. После отражения линия находится под напряжением 0В. Через две наносекунды ЭМ поле возвращается к драйверу, сталкивается с цепью, показанной на Рисунке 4, и поглощается.

Как видно, форма сигнала напряжения на приемнике (оранжевый) является желаемым, правильным сигналом логического квадратного сигнала (это цель этого пути сигнала). Этот метод сигнализации известен как переключение с "отраженной волной", потому что отраженная волна создает правильный логический уровень, когда она совершает свой круговой путь по линии передачи. Это метод сигнализации с наименьшим потреблением энергии, поскольку ток потребляется от системы питания только во время зарядки линии. Как только линия полностью заряжена до логической 1, потребление тока падает до 0. Это метод переключения, который используется с шиной PCI, интегрированной в большинство персональных компьютеров.

Также обратите внимание, что форма сигнала напряжения на выходе драйвера находится в неопределенном логическом состоянии (V/2) в течение времени, которое является задержкой в оба конца по линии передачи каждый раз при переключении. Если нагрузки размещены вдоль линии передачи, как это делается с шиной PCI, они не испытывают условие «данные корректны» до тех пор, пока отраженная волна не пройдет мимо них в обратном направлении. Следовательно, тактирование данных на этих входах должно быть задержано до тех пор, пока данные не станут корректными на всех входах. Вот как осуществляется тактирование данных на шине PCI, а также в других протоколах шины, которые зависят от переключения с отраженной волной.

Что происходит, когда импеданс драйвера и импеданс линии не совпадают?

Схема, показанная на рисунке 6, такая же, как показана на рисунке 1, за исключением того, что последовательное завершение не было вставлено последовательно с выходом.

Рисунок 6. 5-вольтовая CMOS схема без последовательного завершения

На рисунке 7 показана переключающая волновая форма для перехода от логического 0 к логическому 1. Как видно, напряжение на скамье значительно выше, чем V/2. Фактически, оно составляет 2V/3 или 2/3 от общего значения в 5 вольт, то есть 3,33В. Это обусловлено тем, что в делителе напряжения на рисунке 3 верхнее сопротивление составляет 25 ом или Zout драйвера, а нижнее сопротивление или импеданс - 50 ом. Это обеспечивает уровень напряжения 2/3.

Рисунок 7. Волновая форма напряжения для схемы на рисунке 6

На рисунке 7 электромагнитное поле заряжает ёмкость линии до того же значения, что и раньше. Когда электромагнитное поле достигает приёмника через две наносекунды после генерации, оно отражается, удваивая напряжение до 6,66 В. Как и раньше, электромагнитное поле заряжает ёмкость линии до 6,66 В. Через ещё две наносекунды электромагнитное поле возвращается к драйверу и встречает завершение, показанное на рисунке 5. Однако параллельное завершение составляет 25 ом, а не 50 ом. Это означает, что происходят две вещи. Во-первых, на этот раз делитель напряжения составляет 50 ом сверху и 25 ом снизу. Поскольку значение последовательного завершителя равно нулю ом, напряжение делится. Второе, что происходит, это то, что не вся энергия поглощается.

Как и раньше, количество энергии удваивает уровень напряжения на приёмнике и движется обратно к драйверу. Когда она достигает драйвера, часть её поглощается, а остальная отражается инвертированно. Это продолжается до тех пор, пока вся энергия не будет поглощена в выходном импедансе драйвера, и логический уровень не установится на 5 В. Это можно увидеть на рисунке 7.

Примечание: Углубляясь в вышеизложенное, когда параллельное завершение не соответствует импедансу передающей линии, на которую оно установлено, оно не поглощает всю энергию, отраженную обратно по TL. Если значение этого завершения больше, чем импеданс TL, энергия будет отражена с той же полярностью, что и падающая волновая форма. Это часто называют перерегулированием. Если значение этого завершения меньше, чем импеданс TL, энергия, отраженная обратно через две наносекунды, будет инвертирована и будет иметь противоположную полярность падающей волновой формы. Это часто называют недорегулированием.

С волновой формой на Рисунке 7 есть две проблемы. Во-первых, напряжение поднимается на 1,66 вольта выше Vdd. Это избыточное напряжение может вызвать логические сбои или повредить приемник. Во-вторых, после того как сигнал возвращается к драйверу и инвертируется, это приведет к тому, что логическая единица на приемнике упадет ниже 4 вольт. Это уменьшает логическую единицу до уровня, который может привести к логическому сбою. Ни одна из этих ситуаций не является хорошей. Вот почему в такую схему добавляется последовательное завершение.

На рисунке 8 показана форма сигнала при переключении в логический 0. Как видно, те же нарушения логики происходят и в этом логическом состоянии.

Рисунок 8. Форма сигнала переключения цепи, показанной на рисунке 6, с обоими логическими переходами

Итог

Наравне с дифференциальной передачей сигналов, последовательно-терминированные линии передачи служат связующими элементами в устройствах CMOS. Такой тип линии передачи обеспечивает наименьшее потребление энергии для высокоскоростного сигнала. Понимание того, как работает последовательно-терминированная линия передачи и как она заряжается и разряжается, помогает поддерживать качество сигнала и гарантирует, что линия будет работать как задумано и как собрано.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту Altium.

Ссылки:

1. Ritchey, Lee W., и Zasio, John J., Right the First Time, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Тома 1 и 2.