Por que é bom desacelerar as linhas digitais com resistores?

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Ouvi dizer que às vezes é recomendável "desacelerar" uma linha digital, colocando um resistor nela, digamos, um resistor de 100 ohms entre a saída de um chip e a entrada de outro chip (assuma a lógica CMOS padrão; assuma o taxa de sinalização é bem lenta, digamos de 1 a 10 MHz). Os benefícios descritos incluem EMI reduzido, diafonia reduzida entre linhas e quedas de retorno à terra ou quedas de tensão de alimentação.

O que é intrigante é que a quantidade total de energia usada para alternar a entrada pareceria um pouco maior se houver um resistor. A entrada do chip acionado é equivalente a algo como um capacitor de 3-5 pF (mais ou menos), e o carregamento através de um resistor leva a energia armazenada na capacitância de entrada (5 pF * (3 V) 2 ) e a energia dissipada no resistor durante a comutação (digamos 10 ns * (3 V) 2 /100 ohm). Um cálculo de volta ao envelope mostra que a energia dissipada no resistor é uma ordem de magnitude maior que a energia armazenada na capacitância de entrada. Como ter que dirigir um sinal com muito mais força reduz o ruído?

Alex I
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"Como ter que dirigir um sinal com muito mais força reduz o ruído?" Você não precisa se esforçar muito para obter esses benefícios, por exemplo, redução de EMI. Você dirige da mesma forma que antes (sem resistor). Você dimensiona o filtro (resistor) de acordo com a rolagem desejada. Veja onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8200-D.PDF
Fizz
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Para adicionar o que Andy e Dimitry explicaram (que estão corretos em termos de magnitude e (de certa forma) frequência da taxa de borda (não a taxa de bits ou a frequência de comutação), essa atualização no Fenômeno de Gibbs pode ser útil. Pt.wikipedia .org / wiki / Gibbs_phenomenon
cowboydan

Respostas:

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Pense em uma conexão PCB (ou fio) entre uma saída e uma entrada. É basicamente uma antena ou radiador. A adição de um resistor em série limitará o pico de corrente quando a saída mudar de estado - isso causa uma redução no campo magnético transitório gerado e, portanto, tende a reduzir o acoplamento a outras partes do circuito ou ao mundo externo.

Fem induzida indesejada = NdΦdt

"N" é um (turno) no caso de simples interferência entre (digamos) duas faixas de PCB.

O fluxo ( ) é diretamente proporcional à corrente e, portanto, adicionar um resistor melhora as coisas em duas contagens; em primeiro lugar, a corrente de pico (e, portanto, o fluxo de pico) é reduzida e, em segundo lugar, o resistor diminui a taxa de variação da corrente (e, portanto, a taxa de variação do fluxo) e claramente isso tem um resultado direto na magnitude de qualquer indução fem porque fem é proporcional à taxa de variação do fluxo.Φ

Em seguida, considere o tempo de subida da tensão na linha quando a resistência for aumentada - o tempo de subida será maior e isso significa que o acoplamento do campo elétrico a outros circuitos será reduzido. Isso se deve à capacitância dispersa entre circuitos (lembrando que Q = CV): -

dqdt=Cdvdt=I

Se a taxa de variação da tensão diminuir, o efeito da corrente injetada em outros circuitos (via capacitância parasitária) também diminui.

Quanto ao argumento de energia em sua pergunta, dado que o circuito de saída inevitavelmente possui alguma resistência de saída, se você fizesse as contas e calculasse a potência dissipada nessa resistência cada vez que a capacitância de entrada fosse carregada ou descarregada, você descobriria que essa potência não é '' t muda mesmo que o valor do resistor tenha mudado. Sei que não parece intuitivo, mas discutimos esse argumento antes e tentarei encontrar a pergunta e vinculá-la porque é interessante.

Tente esta pergunta - é uma das poucas que aborda o assunto de como a energia é perdida ao carregar os capacitores. Há uma mais recente que vou tentar encontrar.

Aqui está.

Andy aka
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Também para ganhar com meu entendimento limitado (e / ou colocá-lo em termos práticos). Adicionar um resistor em série "impede" a impedância da fonte (por exemplo, Vdrop / Iout do driver da fonte) com a resistência + impedância característica dos traços da placa de circuito impresso? Por exemplo, se a fonte for de 100 ohm e os traços da sua PCB forem característicos Z = 75 ohm, você adicionaria um resistor de 25 ohm (5%) para reduzir os reflexos.
21416 Hans
@Hans, minha resposta está abordando o problema da capacitância de entrada e, como tal, deve-se assumir que o comprimento da linha é pequeno comparado ao comprimento de onda dos sinais envolvidos. Em outras palavras, essa resposta não está abordando uma questão diferente, a saber, a impedância característica de uma linha de transmissão. Além disso, se a fonte tiver 100 ohms, a adição de 25 ohms fará com que a fonte pareça 125 ohms e não 75 ohms. Talvez você deva fazer uma nova pergunta ou talvez eu tenha interpretado mal o seu comentário?
Andy aka
Obrigado, sim, eu vejo que confundi o resistor adicionando-o à linha em vez da fonte. Mas de qualquer forma, acredito que eles precisavam ser comparados. Era apenas algo no topo da minha cabeça que eu me perguntava se era o mesmo fenômeno. Provavelmente vou publicá-lo como uma pergunta dedicada em breve.
Hans
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O termo certo para esse recurso de "desaceleração" é a taxa de variação . A adição de um resistor reduz a taxa de rotação, formando um filtro RC passa-baixo com a capacitância de entrada. Você pode ver o efeito desses resistores no seguinte oscilograma (a curva verde com maior taxa de giro produz muito mais ruído):

insira a descrição da imagem aqui

O aumento do consumo de energia que você mencionou não é de fato real. É necessária a mesma quantidade de energia para carregar um capacitor, independentemente da velocidade com que você o carrega. A introdução do resistor apenas tornou visível essa perda de energia, enquanto sem o resistor a mesma energia é dissipada pelas portas de saída do CMOS.

Dmitry Grigoryev
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Tecnicamente, a taxa de giro não é o termo correto - você pode ter um amplificador ou driver ou buffer com uma saída limitada de taxa de giro, mas adicionar um resistor para desacelerar um sinal rápido é simplesmente isso - ele produz uma forma exponencial e o dV / dt isn forçado a algum limite de taxa reduzida.
Andy aka
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A forma exponencial limita dV / dt pela inclinação inicial do expoente, V / (RC). Mas eu concordo com a observação - pinos de taxa de rotação lenta não são feitos adicionando resistores a portas de taxa de rotação rápida internamente. Uma resposta ideal da taxa de rotação lenta deve ser linear, não exponencial e independente da capacitância da carga.
Dmitry Grigoryev
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Tempo de subida ou taxa de borda, não taxa de giro
endólito
@endolith Gostaria de explicar a diferença entre taxa de borda e taxa de variação? O tempo de subida é apenas a tensão dividida pela taxa de rotação, eles realmente expressam a mesma coisa em unidades diferentes.
Dmitry Grigoryev
@DmitryGrigoryev O giro distorce as ondas senoidais, a filtragem RC não. A taxa de variação nos amplificadores operacionais é quando a tampa está sendo carregada de uma fonte de corrente e aproxima-se linearmente do valor final e permanece lá. O "tempo de subida" aplica-se aos filtros RC carregados por uma fonte de tensão, produzindo um decaimento exponencial que (teoricamente) nunca atinge o valor final, apenas se aproxima assintoticamente dele. radio-electronics.com/images/op-amp-slew-rate-01.gif radio-electronics.com/images/op-amp-slew-rate-02.gif ee.nmt.edu/~wedeward/EE212L/SP15 /RCSquareWaveProbeFig2.gif
endolith
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É uma simplificação excessiva pensar no resistor como "desacelerando" a linha, porque não é exatamente isso que existe, pelo menos na sinalização de alta velocidade, e parece implicar que você reduziria ou removeria o resistor, se quisesse vá mais rápido.

De fato, é o término em série da linha de transmissão que a faixa representa. Como tal, seu valor, mais a impedância de saída do motorista, deve ser igual à impedância característica da pista.

Quando o motorista lança uma borda na linha através do resistor, ele viaja até a extremidade mais distante na metade da tensão final (porque há um divisor de potencial formado pela impedância da fonte e pela impedância da faixa) e é refletido na abertura circuito representado na extremidade oposta, que dobra sua voltagem para o nível máximo. A reflexão viaja de volta à fonte, quando é finalizada pelo resistor da fonte (através da baixa impedância dos drivers de saída).

Portanto, o extremo oposto obtém uma boa borda limpa, que pode usar com segurança um atraso de propagação após o envio (ou seja, o mais rápido possível), e não há um conjunto de reflexões deslizando para trás e para frente por vários tempos de ida e volta, o que causa EMI / diafonia e atrasos.

A desvantagem é que, se você olhar no meio da linha, verá uma forma de onda escalonada engraçada, o que significa que nem sempre é uma técnica adequada para links multiponto. (Certamente não relógios multiponto)

Atualizar:

Só para esclarecer, é o tempo de subida do seu sinal que mais importa nessas situações, não a frequência com a qual você gera bordas. Em um mundo ideal, você sempre teria drivers com taxas de borda sensíveis à frequência que estava tentando transmitir, mas atualmente não é o caso hoje em dia, e se o tempo de subida do driver for curto, será necessário pensar em toque. Em uma linha de dados, isso pode não ter importância (exceto a EMI), porque tudo terá parado antes do próximo limite do relógio, mas em um relógio pode ser um desastre com relógio duplo, mesmo que seja um desastre que ocorre apenas um milhão vezes por segundo.

Howard Johnson acha que você deve simular algo maior que 1/6 do tempo de subida para ver se precisa de rescisão. Em 1ns, o tempo de subida é de 150ps, ou seja, cerca de uma polegada. Outras pessoas dizem que coisas como 2 polegadas por nanossegundo de tempo de subida é o comprimento crítico para a necessidade de terminação.


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Embora ocorram reflexos nas linhas de transmissão, para comprimentos típicos de traços de PCB (aproximadamente 10 cm), o reflexo duraria apenas dezenas de picossegundos, e o hardware operando a 1-10 MHz nunca verá falhas tão rápidas.
Dmitry Grigoryev
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Qual é a sua derivação de 'dezenas de picossegundos'? RTT acima de 10cm de PCB é mais parecido com 1ns, com certeza?
OK, duas vezes 10 cm dividido pela velocidade da luz seria de 0,6 ns, então minha estimativa foi muito baixa. Ainda assim, 1ns é invisível em sistemas com clock de 1-10 MHz.
Dmitry Grigoryev
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ter que dirigir um sinal muito mais difícil

Ao contrário: a força do inversor de uma saída digital é uma quantidade fixa (*) com base no tamanho dos seus transistores de saída. Se você tiver muita força de acionamento, você recebe um grande pulso de corrente curto. Um resistor transforma isso em um pulso mais longo e mais plano. (Acho que a área sob o pulso no gráfico de tempo atual é constante, mas ainda não fiz as contas).

Quanto mais nítido for o seu pulso atual, mais você precisará considerar o sistema como uma linha de transmissão. Então o resistor aparece como um resistor de terminação da fonte.

(*) Você pode obter alguns dispositivos com força de acionamento comutável, mas isso significa que eles têm vários transistores de saída por pino.

pjc50
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