Pourquoi est-il bon de ralentir les lignes numériques avec des résistances?

J'ai entendu dire qu'il est parfois recommandé de "ralentir" une ligne numérique en y mettant une résistance, disons une résistance de 100 ohms entre la sortie d'une puce et l'entrée d'une autre puce (supposons une logique CMOS standard; supposons que le taux de signalisation est assez lent, disons 1-10 MHz). Les avantages décrits incluent une réduction des interférences électromagnétiques, une diaphonie entre les lignes et une réduction du rebond au sol ou des creux de tension d'alimentation.

Ce qui est déroutant, c'est que la quantité totale d' énergie utilisée pour commuter l'entrée semble être un peu plus élevée s'il y a une résistance. L'entrée de la puce qui est pilotée équivaut à quelque chose comme un condensateur de 3-5 pF (plus ou moins), et la charge qui, à travers une résistance, prend à la fois l'énergie stockée dans la capacité d'entrée (5 pF * (3 V) ² ) et l'énergie dissipée dans la résistance pendant la commutation (disons 10 ns * (3 V) ^deux / 100 ohms). Un calcul au dos de l'enveloppe montre que l'énergie dissipée dans la résistance est d'un ordre de grandeur supérieur à l'énergie stockée dans la capacité d'entrée. Comment le fait de devoir piloter un signal beaucoup plus dur réduit-il le bruit?

Pensez à une connexion PCB (ou fil) entre une sortie et une entrée. C'est essentiellement une antenne ou un radiateur. L'ajout d'une résistance série limitera le courant de crête lorsque la sortie change d'état - ce qui entraîne une réduction du champ magnétique transitoire généré et aura donc tendance à réduire le couplage à d'autres parties du circuit ou au monde extérieur.

Emf induite indésirable = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" est un (tour) dans le cas d'une simple interférence entre (disons) deux pistes PCB.

Le flux ( ) est directement proportionnel au courant et donc l'ajout d'une résistance améliore les choses sur deux points; d'une part, le courant de crête (et donc le flux de crête) est réduit et d'autre part, la résistance ralentit le taux de variation du courant (et donc le taux de variation du flux) et cela a clairement un effet direct sur l'amplitude de tout induit emf car emf est proportionnelle au taux de variation du flux.$\Phi$

Ensuite, considérez le temps de montée de la tension sur la ligne lorsque la résistance augmente - le temps de montée s'allongera et cela signifie que le couplage du champ électrique à d'autres circuits sera réduit. Cela est dû à la capacité parasite inter-circuits (en se souvenant que Q = CV): -

$\dfrac{dq}{dt} = C\dfrac{dv}{dt} = I$

Si le taux de variation de tension diminue, l'effet du courant injecté dans d'autres circuits (via la capacité parasite) diminue également.

En ce qui concerne l'argument énergétique dans votre question, étant donné que le circuit de sortie a inévitablement une certaine résistance de sortie, si vous avez fait le calcul et calculé la puissance dissipée dans cette résistance chaque fois que la capacité d'entrée a été chargée ou déchargée, vous constaterez que cette puissance ne fonctionne pas '' t changer même si la valeur de la résistance a changé. Je sais que cela ne semble pas intuitif, mais nous avons déjà abordé cet argument et je vais essayer de trouver la question et de la lier car elle est intéressante.

Essayez cette question - c'est l'une des rares qui couvre le sujet de la perte d'énergie lors de la charge des condensateurs. Il y en a une plus récente que je vais essayer de trouver.

Ça y est.

Le bon terme pour cette fonction de "ralentissement" est le taux de balayage . L'ajout d'une résistance réduit la vitesse de balayage en formant un filtre RC passe-bas avec la capacité d'entrée. Vous pouvez voir l'effet de ces résistances dans l'oscillogramme suivant (la courbe verte avec une vitesse de balayage plus élevée produit beaucoup plus de bruit):

L'augmentation de la consommation d'énergie que vous mentionnez n'est en fait pas réelle. Il faut la même quantité d'énergie pour charger un condensateur, quelle que soit la vitesse à laquelle vous le chargez. L'introduction de la résistance n'a fait que rendre visible cette perte d'énergie, alors que sans la résistance, la même énergie est dissipée par les portes de sortie CMOS.

C'est une simplification excessive de penser que la résistance `` ralentit '' la ligne, car ce n'est pas vraiment pour cela qu'elle est là, au moins dans la signalisation à grande vitesse, et cela semble impliquer que vous réduirez ou supprimerez la résistance si vous le souhaitez aller plus vite.

En fait, c'est la terminaison en série pour la ligne de transmission que la piste représente. En tant que telle, sa valeur, plus l'impédance de sortie du pilote, doit être égale à l'impédance caractéristique de la piste.

Lorsque votre pilote lance un bord le long de la ligne via la résistance, il se rend à l'extrémité distante à la moitié de la tension finale (car il y a un diviseur de potentiel formé par l'impédance de la source et l'impédance de la piste), puis se reflète à l'ouverture - circuit représenté à l'extrémité, qui double sa tension au niveau maximum. La réflexion revient à la source, point auquel elle est terminée par la résistance de la source (via la faible impédance des pilotes de sortie).

Ainsi, l'extrémité distante obtient un joli bord propre, qu'elle peut utiliser en toute sécurité un retard de propagation après son envoi (c'est-à-dire dès que possible), et il n'y a pas un ensemble de réflexions qui se déplacent vers l'arrière et vers l'avant pour plusieurs temps aller-retour, ce qui provoque EMI / diaphonie et retards.

L'inconvénient est que si vous regardez au milieu de la ligne, vous verrez une drôle de forme d'onde étagée, ce qui signifie que ce n'est pas toujours une technique appropriée pour les liaisons multipoint. (Certainement pas des horloges multidrop)

Mise à jour:

Juste pour clarifier, c'est le temps de montée de votre signal qui compte le plus dans ces situations, pas la fréquence avec laquelle vous générez des fronts. Dans un monde idéal, vous auriez toujours des pilotes qui avaient des taux de front qui étaient sensibles à la fréquence que vous essayez de transmettre, mais ce n'est souvent pas le cas de nos jours, et si le temps de montée de votre pilote est court, alors vous devez penser à sonnerie. Sur une ligne de données, cela peut ne pas avoir d'importance (autre que EMI), car tout cela aura cessé avant le prochain front d'horloge, mais sur une horloge, cela pourrait être une catastrophe à double horloge, même s'il s'agit d'une catastrophe qui ne se produit qu'un million fois par seconde.

Howard Johnson estime que vous devez simuler quelque chose de plus que 1/6 du temps de montée pour voir si vous avez besoin d'une résiliation. À 1ns, le temps de montée est de 150ps, ce qui représente environ un pouce. D'autres personnes disent que des choses comme 2 pouces par nanoseconde de temps de montée sont la longueur critique pour avoir besoin d'une terminaison.

avoir à conduire un signal beaucoup plus dur

Inverse: la force de commande d'une sortie numérique est une quantité fixe (*) basée sur la taille de ses transistors de sortie. Si vous avez une force d'entraînement trop élevée, vous obtenez une impulsion de courant courte importante. Une résistance transforme cela en une impulsion plus longue et plus plate. (Je pense que la zone sous l'impulsion sur le graphique actuel est constante, mais je n'ai pas fait le calcul).

Plus votre impulsion actuelle est nette, plus vous devez considérer le système comme une ligne de transmission. Ensuite, la résistance apparaît comme une résistance de terminaison de source.

(*) Vous pouvez obtenir certains appareils avec une puissance de commande commutable, mais cela signifie simplement qu'ils ont plusieurs transistors de sortie par broche.