Hành vi Chuyển mạch của Đường truyền có Kết thúc Nối tiếp

Đường truyền kết thúc dạng chuỗi và tín hiệu vi sai đóng vai trò như các liên kết trong tất cả các thiết bị CMOS. Mặc dù tôi đã viết rất nhiều về tín hiệu vi sai, cách hoạt động và lợi ích của nó, tôi chưa đề cập đến hành vi chuyển mạch của một đường truyền kết thúc dạng chuỗi. Đó là mục đích của bài viết này.

Cơ bản

Những điểm nổi bật về một đường truyền kết thúc dạng chuỗi bao gồm những điều sau:

• Trong loại đường truyền này, một điện trở kết thúc dạng chuỗi được đặt tại đầu ra của mỗi bộ điều khiển.
• Nó cung cấp mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất cho một tín hiệu logic tốc độ cao.
  •     Đây là phương pháp tiêu thụ năng lượng thấp nhất bởi vì năng lượng chỉ được tiêu thụ trong mạch khi một đường logic được chuyển từ logic 0 sang logic 1.

Trong khi những điểm trước đây có vẻ rất rõ ràng, việc hiểu cách một đường truyền kết thúc chuỗi hoạt động là rất quan trọng để đảm bảo rằng các tín hiệu được gửi đúng cách đến từng bộ thu. Hình 1 là một ví dụ điển hình về bộ điều khiển CMOS 5V với một đường truyền 50-ohm được kết nối với một bộ thu CMOS bị động. Điều này có nghĩa là thiết bị này đơn giản chỉ phản ứng với hình dạng sóng điện áp được trình bày tại đầu vào của nó. Để giải thích mục đích này, các bộ thu CMOS trông giống như những tụ điện rất nhỏ có thể được coi là mạch mở. Trong ví dụ này, đường dài 12 inch hoặc khoảng 30 cm. Trong một PCB, năng lượng di chuyển với tốc độ khoảng sáu inch mỗi nanogiây, vì vậy đường truyền dưới đây dài khoảng hai nanogiây.

Hình 1. Đường Truyền CMOS Kết Thúc Chuỗi 5-Volt

Hình 2. Mạch Tương Đương cho Đường Truyền được Hiển Thị trong Hình 1.

Như có thể thấy trong Hình 2, dung lượng và cảm kháng được phân bố dọc theo chiều dài của đường truyền. Những yếu tố này là parasitics, và chúng xác định hành vi của một đường truyền với tỷ lệ của cảm kháng trên mỗi đơn vị chiều dài so với dung lượng trên mỗi đơn vị chiều dài. Điều này xác định trở kháng của đường dây được hiển thị trong Phương trình 1. Lo là cảm kháng trên mỗi đơn vị chiều dài, và Co là dung lượng trên mỗi đơn vị chiều dài. Sử dụng một công cụ như máy giải 2D-field (nhiều máy giải trường được cung cấp như một phần của các công cụ tính toán tính toán tín hiệu khác nhau) hai biến số này được xác định cho một đường truyền cụ thể.

Phương trình 1. Trở kháng như một Hàm số của Dung lượng và Cảm kháng Phân bố

Khi bộ điều khiển trong Hình 1 hoạt động để chuyển mức logic trên đường truyền từ một logic 0 sang một logic 1, nó phải sạc lên dung lượng parasitic phân bố của đường truyền. Đây là nguồn năng lượng chính được tiêu thụ bởi mạch logic CMOS. Khi cùng một bộ điều khiển hoạt động để chuyển mức logic từ một logic 1 sang một logic 0, lượng điện tích đó phải được loại bỏ.

Khi một tín hiệu được gửi qua một dây hoặc đường truyền, năng lượng trong đó ở dạng trường điện từ (EM). Năng lượng này sẽ di chuyển theo con đường và được phản xạ ở các đầu của con đường mãi mãi trừ khi nó được hấp thụ bởi một điện trở kết thúc hoặc dần dần mất đi trong điện trở của dẫn truyền. Nếu các đầu của con đường là mạch mở, năng lượng phản xạ sẽ cùng cực tính với năng lượng tới. Nếu các đầu của con đường là mạch kín, năng lượng phản xạ sẽ được đảo ngược.

Cách Điện Tích Trên Một Đường Logic Di Chuyển Từ 0 Sang 1

Ngay khi bộ điều khiển bắt đầu di chuyển đường logic từ 0 sang 1, mạch tương đương trong Hình 3 được hình thành. Như có thể thấy, một bộ chia điện áp đã được hình thành bởi sự kết hợp của trở kháng đầu ra của bộ điều khiển và trở kháng nối tiếp ở phần trên và trở kháng của đường truyền ở phần dưới. Khi trở kháng nối tiếp được chọn phù hợp, sự kết hợp của Zout và Zst sẽ giống như Zo. Trong ví dụ này, cả hai sẽ là 50 ohm, và điện áp tại đầu vào của đường truyền sẽ là V/2.

Hình 3. Mạch tương đương của Hình 1 khi Bộ chuyển đổi từ Logic 0 sang Logic 1.

Hình 4 cho thấy các dạng sóng điện áp tại đầu vào của đường truyền và tại đầu vào của bộ thu theo thời gian.

Hình 4. Dạng sóng Chuyển đổi cho Mạch trong Hình 1

Hình này chứa các điểm dữ liệu sau:

• Dạng sóng màu đỏ là đầu vào của đường truyền, và dạng sóng màu cam là đầu vào của bộ thu ở cuối đường truyền.
• Như được hiển thị, mức điện áp ngay sau khi chuyển từ 0 sang 1 chỉ bằng một nửa kích thước.
• Điều này là do bộ chia điện áp được hiển thị trong Hình 3.
• Mức điện áp này thường được gọi là điện áp “băng ghế”.
• Năng lượng dưới dạng trường EM đã được phóng vào đường truyền.
• Năng lượng này đang sạc điện dung nhiễu của đường truyền lên mức điện áp V/2 khi trường di chuyển ra ngoài đường truyền.
• Sau hai nanogiây (độ dài điện của đường truyền), đường dây đã được sạc đầy hoàn toàn lên V/2, và trường EM gặp một mạch mở ở bộ thu. Khi một trường như vậy gặp một mạch mở, không có năng lượng nào trong trường được hấp thụ. Thay vào đó, nó được phản xạ với cùng một độ lớn như khi nó đang di chuyển ra ngoài.
• Ở thời điểm phản xạ tổng cộng, mức điện áp ở cuối đường dây là V/2. Vì độ lớn điện áp của trường EM là V/2, sau khi phản xạ tổng cộng, biên độ sẽ là V. Như có thể thấy, sóng màu cam có biên độ V ngay khi trường EM đến cuối đường dây. Trên hành trình quay trở lại, dung kháng nhiễu của đường truyền được sạc lên đến V. Một khi trường EM quay trở lại với bộ phát, nó gặp mạch tương đương được hiển thị trong Hình 5.

Hình 5. Mạch Tương Đương của Hình 1 khi Sóng Phản Xạ Quay Trở Lại Bộ Phát

Cần lưu ý rằng một nguồn điện áp, như được hiển thị trong Hình 5 có trở kháng bằng không.

Vì tổng của Zout và Zst là 50 ohm, và nguồn điện áp là một mạch ngắn, cùng nhau chúng tạo thành một điện trở kết thúc song song có cùng giá trị với trở kháng của đường truyền. Kết quả là, toàn bộ năng lượng trong trường EM được hấp thụ, và mức điện áp trên đường truyền ổn định ở 5 volt, đây là mức logic 1 lý tưởng cho mạch này.

Lưu ý: Khi một điện trở có cùng giá trị với trở kháng của đường truyền và được đặt xuyên qua hai đầu của đường đó, toàn bộ năng lượng trong trường điện từ sẽ được điện trở này hấp thụ. Sẽ không có sự phản xạ nào nữa, và điện trở này được gọi là điện trở kết thúc song song.

Quy trình Chuyển đổi từ Logic 1 sang Logic 0

Khi mạch trong Hình 1 chuyển từ mức logic 1 sang mức logic 0, bộ điều khiển có nhiệm vụ loại bỏ điện tích trên dung kháng đường truyền mà đã được đặt ở đó để chuyển nó từ mức logic 0 sang mức logic 1. Điều này xảy ra khi mức điều khiển bên trong chuyển từ 5V xuống 0V. Tương tự như quá trình chuyển từ mức logic 0 sang mức logic 1, mạch tương đương được mô tả như trong Hình 3, nhưng, bây giờ, đường truyền ở mức 5V và trở kháng đầu ra cùng trở kháng nối tiếp được kết nối với 0V. Do đó, bộ chia điện áp hoạt động như trước đó.

Kết quả của quá trình trên, điện áp dòng điện được chuyển đến V/2 và điện tích dưới dạng trường EM được loại bỏ khỏi dung kháng dòng điện ở mức này khi năng lượng di chuyển xuống dòng. (Mức điện áp của quá trình chuyển đổi này là –V/2.) Khi trường EM đến cuối đường truyền hai nanogiây sau, nó gặp một mạch mở và được phản xạ trở lại dọc theo dòng. Sau khi phản xạ xảy ra, dòng điện ở mức 0V. Hai nanogiây sau, trường EM quay trở lại với bộ điều khiển và gặp mạch được hiển thị trong Hình 4, và nó được hấp thụ.

Như có thể thấy, hình dạng sóng điện áp tại bộ thu (màu cam) là tín hiệu logic sóng vuông mong muốn, đúng đắn (đây là mục tiêu của đường truyền tín hiệu này). Phương pháp tín hiệu này được biết đến là "chuyển mạch sóng phản xạ" bởi vì sóng phản xạ tạo ra mức logic chính xác khi nó thực hiện chuyến đi vòng qua đường truyền. Đây là phương pháp tiêu thụ công suất thấp nhất của tín hiệu logic bởi vì dòng điện chỉ được rút từ hệ thống nguồn trong khi đường dây đang được sạc. Một khi đường dây đã được sạc đầy lên mức logic 1, lượng dòng điện rút ra sẽ giảm xuống 0. Đây là phương pháp chuyển mạch được sử dụng với bus PCI được tích hợp trong hầu hết các máy tính cá nhân.

Cũng lưu ý rằng, dạng sóng điện áp tại đầu ra của bộ điều khiển ở trạng thái logic không xác định (V/2) trong khoảng thời gian tương ứng với độ trễ vòng đi vòng lại trên đường truyền mỗi khi chuyển mạch diễn ra. Nếu các tải được đặt dọc theo chiều dài của đường truyền, như cách làm với bus PCI, chúng sẽ không trải qua điều kiện “dữ liệu tốt” cho đến khi sóng phản xạ đi qua chúng trên chuyến đi trở về. Do đó, việc đồng hồ hóa dữ liệu tại các đầu vào này phải được trì hoãn cho đến khi dữ liệu tốt tại tất cả các đầu vào. Đây là cách dữ liệu được đồng hồ hóa trên bus PCI cũng như các giao thức bus khác dựa trên việc chuyển mạch sóng phản xạ.

Điều gì xảy ra khi Trở kháng Đầu vào và Trở kháng Đường truyền Không Khớp Nhau?

Mạch được hiển thị trong Hình 6 giống như mạch được hiển thị trong Hình 1 ngoại trừ việc không có sự chèn một điện trở kết thúc nối tiếp với đầu ra.

Hình 6. Mạch CMOS 5-Volt Không Có Điện Trở Kết Thúc Nối Tiếp

Hình 7 cho thấy sóng chuyển đổi từ logic 0 sang logic 1. Như được hiển thị, điện áp trên bàn thí nghiệm cao hơn nhiều so với V/2. Thực tế, nó là 2V/3 hoặc 2/3 của tổng 5 volt hay 3.33V. Điều này là do bộ chia điện áp trong Hình 3 có điện trở phía trên là 25 ohm hay Zout của bộ điều khiển và điện trở phía dưới hay trở kháng là 50 ohm. Điều này tạo ra mức điện áp 2/3.

Hình 7. Dạng sóng điện áp cho mạch trong Hình 6

Trong Hình 7, trường EM đang sạc điện dung dây lên cùng một giá trị như trước. Khi trường EM đến bộ thu hai nanogiây sau khi được tạo ra, nó được phản xạ làm đôi điện áp lên 6.66V. Như trước, trường EM sạc điện dung dây lên 6.66V. Sau hai nanogiây nữa, trường EM quay trở lại bộ phát và gặp phải sự kết thúc được hiển thị trong Hình 5. Tuy nhiên, điện trở kết thúc song song là 25 ôm, không phải 50 ôm. Điều này có nghĩa là hai việc đang xảy ra. Đầu tiên, lần này bộ chia điện áp có 50 ôm ở trên và 25 ôm ở dưới. Bởi vì giá trị điện trở kết thúc nối tiếp là không ôm, điện áp được chia xuống. Điều thứ hai đang xảy ra là không phải tất cả năng lượng được hấp thụ.

Như trước, lượng năng lượng sẽ làm đôi mức điện áp tại bộ thu và di chuyển trở lại về phía bộ phát. Khi nó đến bộ phát, một phần năng lượng được hấp thụ, và phần còn lại được phản xạ ngược lại. Điều này tiếp tục cho đến khi tất cả năng lượng đã được hấp thụ trong trở kháng đầu ra của bộ phát, và mức logic ổn định ở 5V. Điều này có thể được thấy trong Hình 7.

Lưu ý: Đi sâu vào vấn đề trên một chút, khi một điện trở kết thúc song song không khớp với trở kháng của đường truyền mà nó được đặt qua, nó sẽ không hấp thụ hết năng lượng phản xạ trở lại xuống đường truyền. Nếu giá trị của điện trở kết thúc này lớn hơn trở kháng của đường truyền, năng lượng sẽ được phản xạ với cùng một cực tính như dạng sóng xảy ra. Điều này thường được gọi là overshoot. Nếu giá trị của điện trở kết thúc này nhỏ hơn trở kháng của đường truyền, năng lượng phản xạ trở lại sau hai nanogiây sẽ được đảo ngược và có cực tính ngược lại với dạng sóng xảy ra. Điều này thường được gọi là undershoot.

Có hai vấn đề với dạng sóng trong Hình 7. Đầu tiên, điện áp tăng 1.66 volt so với Vdd. Điện áp dư thừa này có thể gây ra sự cố logic hoặc hỏng bộ thu. Thứ hai, sau khi tín hiệu quay trở lại bộ điều khiển và được đảo ngược, nó sẽ khiến logic 1 tại bộ thu giảm xuống dưới 4 volt. Điều này làm giảm mức logic một xuống một mức có thể dẫn đến sự cố logic. Cả hai tình huống này đều không tốt. Đó là lý do tại sao một điện trở kết thúc dạng chuỗi được thêm vào mạch như thế này.

Hình 8 cho thấy dạng sóng khi tín hiệu chuyển sang logic 0. Như có thể thấy, các vi phạm logic tương tự cũng xảy ra trong trạng thái logic này.

Hình 8. Dạng Sóng Chuyển Mạch của Mạch Được Hiển Thị trong Hình 6 Với Cả Hai Sự Chuyển Đổi Logic

Tóm tắt

Cùng với tín hiệu vi sai, các đường truyền có điện trở kết thúc dạng chuỗi phục vụ như các liên kết trong các thiết bị CMOS. Loại đường truyền này cung cấp mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất cho tín hiệu tốc độ cao. Hiểu cách một đường truyền có điện trở kết thúc dạng chuỗi hoạt động và cách nó được sạc lên và xuống giúp duy trì chất lượng tín hiệu và đảm bảo rằng đường truyền sẽ hoạt động như thiết kế và đã xây dựng.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.

Tài liệu tham khảo:

1. Ritchey, Lee W., và Zasio, John J., Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volumes 1 và 2.