Напряжение и токовые волновые формы на последовательно-терминированной линии передачи

В обоих наших книгах, Сделать правильно с первого раза, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Тома 1 и 2, так же как и в наших очных и публичных курсах, мы говорим о ценности последовательно-терминированной линии передачи. С таким типом линии передачи энергия используется только в момент зарядки линии. Это позволяет выполнять большое количество вычислений с минимальным использованием энергии. Но понимание того, как работает этот тип линии, может быть запутанным и немного пугающим. В частности, визуализация того, как работает этот процесс, может быть сложной. Цель этой статьи - прояснить принцип работы этой линии передачи и предоставить графику, которая это демонстрирует.

Основы

Последовательно-терминированные линии передачи являются основным методом соединения устройств CMOS с несогласованным выходным импедансом. В следующем обсуждении все упомянутые устройства являются устройствами CMOS. Устройства CMOS фактически привели к упадку технологии ECL, потому что с ECL, независимо от предпринятых действий, линия всегда потребляла энергию и вызывала серьезные проблемы с охлаждением в больших машинах.

Рисунок 1 представляет собой типичный 5В драйвер CMOS с подключенной 50 Ом линией передачи к пассивному приемнику CMOS.

Пассивный приемник означает, что он просто реагирует на форму напряжения, представленную на его входе. Для целей этого объяснения, приемники на основе CMOS выглядят как очень маленькие конденсаторы, которые считаются разомкнутыми цепями. Здесь линия имеет длину около 12 дюймов (30 см). Энергия в печатной плате (PCB) распространяется примерно на шесть дюймов за наносекунду. Таким образом, эта линия имеет длину около двух наносекунд.

Схематическое представление линии передачи на Рисунке 1 показано на Рисунке 2.

Как видно, вдоль длины линии передачи распределены емкость, сопротивление и индуктивность. Как отмечалось в предыдущих статьях, эти элементы называются паразитными, и они определяют поведение линии передачи с отношением индуктивности на единицу длины к емкости на единицу длины. Заметим, что паразитная проводимость подложки и тангенс угла потерь на данный момент игнорируются, поскольку они не так критичны для понимания основной формы волн напряжения и тока. При достаточно высокой частоте, но не настолько высокой, чтобы мы заботились о скин-эффекте или шероховатости меди, индуктивность и емкость определяют импеданс линии, как показано в Уравнении 1.

Примечание: При выборе драйверов для последовательно-терминированных линий передачи, выходное сопротивление драйвера должно быть равно или меньше сопротивления линии передачи.

В Уравнении 1 индуктивность на единицу длины выражается как Lo, а емкость на единицу длины выражается как Co. (Эти две переменные могут быть определены для данного типа линии передачи с использованием инструмента, такого как 2D полевой решатель). Эквивалентная схема в момент T0 - это источник напряжения, а Рисунок 3 - эквивалентная схема при начале перехода от логического 0 к логическому 1.

Делитель напряжения образуется за счет комбинации выходного сопротивления драйвера и последовательной терминации в верхней части и сопротивления линии передачи в нижней части. Когда последовательная терминация была правильно выбрана, комбинация Zout и Zst будет такой же, как Zo. В этом примере оба составляют 50 Ом.

Рисунок 4 показывает формы напряжения и тока для последовательно-терминированной линии передачи на Рисунке 1, когда драйвер переключается с логического 0 на логический 1.

Напряжение, начинающееся вдоль последовательно-терминированной линии передачи, составляет V/2, что представляет собой половину напряжения питания. Таким образом, на выходе емкость заряжается до V/2. Это представлено волновой формой тока, показанной в нижней части Рисунка 4, и может быть показано простым расчетом V через два резистора, соединенных последовательно.

Примечание: Закон Ома описывает взаимосвязь между током через резистор и напряжением на нем. В основном, закон утверждает, что ток в амперах равен напряжению в вольтах на резисторе, деленному на сопротивление в омах.

Когда ток достигает дальнего конца линии передачи, которая является разомкнутой цепью с шунтирующим конденсатором, напряжение удваивается до полного значения V. Электромагнитное поле отражается обратно от открытого конца линии передачи, и оно заряжает емкость до полного значения V. Когда электромагнитное поле возвращается к началу линии, емкость полностью заряжена, и ток уменьшается до нуля. Это видно в нижней части Рисунка 4.

Важные моменты, которые следует иметь в виду при рассмотрении работы, изображенной на Рисунке 4, включают:

• Текущая форма волны на нижней части графика длится в два раза дольше электрической длины линии передачи.
• Максимальный ток, потребляемый от подсистемы питания, устанавливается волновым сопротивлением Zo линии передачи и напряжением питания.
• Произведение формы волны тока и формы волны напряжения на входе в линию передачи является мощностью, которую должна обеспечить подсистема питания.
• Содержание частоты волны не устанавливается частотой тактирования.

Итог

Метод с наименьшим потреблением энергии для высокоскоростной логической сигнализации включает использование линии передачи с последовательным завершением. Это метод с наименьшим потреблением энергии, потому что энергия потребляется в схеме только тогда, когда логическая линия переключается с логического 0 на логический 1.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium и узнайте больше о принятии проектных решений с легкостью и уверенностью.