Чому добре уповільнювати цифрові лінії за допомогою резисторів?

Я чув, що іноді рекомендується "уповільнити" цифрову лінію, поставивши на неї резистор, скажімо, резистор 100 Ом між виходом однієї мікросхеми та входом іншої мікросхеми (припустимо, стандартна логіка CMOS; припустимо частота сигналу досить повільна, скажімо, 1-10 МГц). Описані переваги включають зменшений ІМС, зменшений перехресний проміжок між лініями та зменшений відскок землі або провал напруги живлення.

Дивовижне з цього приводу полягає в тому, що загальний об'єм енергії, що використовується для перемикання входу, здавалося б, трохи більший, якщо є резистор. Вхід мікросхеми, що приводиться в рух, еквівалентний чимось на зразок конденсатора 3-5 пФ (більше або менше), а зарядка через резистор забирає енергію, що зберігається у вхідній ємності (5 пФ * (3 В) ² ) а енергія розсіюється в резисторі під час перемикання (скажімо , 10 нс * (3 в) ² /100 Ом). Зворотний розрахунок конвертики показує, що енергія, що розсіюється в резисторі, на порядок більше, ніж енергія, що зберігається у вхідній ємності. Як необхідність керувати сигналом набагато важче, зменшує шум?

Подумайте про з'єднання друкованої плати (або дроту) між виходом і входом. В основному це антена або радіатор. Додавання резистора серії обмежить максимум струму, коли вихід буде змінювати стан, що спричиняє зменшення створюваного перехідного магнітного поля і, отже, буде схильне зменшувати зв'язок з іншими частинами ланцюга або зовнішнім світом.

Небажаний індукований ЕМП = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" - це один (поворот) у випадку простої перешкоди між (скажімо) двома треками друкованої плати.

Потік ( ) прямо пропорційний струму, тому додавання резистора покращує річ у двох показниках; по-перше, піковий струм (а отже, і піковий потік) зменшується, по-друге, резистор сповільнює швидкість зміни струму (а отже, і швидкість зміни потоку) і, очевидно, це має прямий результат на величину будь-якого індукованого emf, оскільки emf пропорційна швидкості зміни потоку.$\Phi$

Далі, врахуйте час підйому напруги на лінії, коли опір буде збільшено - час підйому збільшиться, і це означає, що зв'язок електричного поля з іншими ланцюгами зменшиться. Це пов’язано з міжконтурною збитковою ємністю (пам'ятаючи, що Q = CV): -

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

Якщо швидкість зміни напруги зменшується, ефект струму, що вводиться в інші контури (через паразитарну ємність), також зменшується.

Що стосується енергетичного аргументу у вашому запитанні, враховуючи, що вихідний контур неминуче має певний вихідний опір, якщо ви зробили математику і обчислили потужність, що розсіюється в цьому опорі щоразу, коли вхідна ємність заряджається або розряджається, ви виявите, що ця потужність не відповідає ' t змінюється, навіть якщо значення резистора змінювалося. Я знаю, що це не звучить інтуїтивно, але ми вже пішли на цей аргумент, і я спробую знайти питання і зв’язати його, бо це цікаво.

Спробуйте це питання - це одне з небагатьох, яке висвітлює тему втрати енергії під час заряджання конденсаторів. Є пізніший, який я спробую знайти.

Ось воно.

Право термін для цієї функції «повільно вниз» є вбивання швидкості . Додавання резистора знижує частоту повороту, утворюючи низькочастотний RC-фільтр із вхідною ємністю. Ефект таких резисторів ви можете побачити в наступній осцилограмі (зелена крива з більш високою швидкістю враження видає набагато більше шуму):

Збільшення споживання електроенергії, яке ви згадуєте, насправді не реально. Для зарядки конденсатора потрібно стільки ж енергії, незалежно від того, наскільки швидко ви її заряджаєте. Введення резистора лише зробило цю втрату енергії помітною, тоді як без резистора та сама енергія розсіюється вихідними воротами CMOS.

Дуже спрощеним вважати резистор як "уповільнення" лінії, тому що це насправді не те, для чого це потрібно, принаймні у швидкісній сигналізації, і, мабуть, це означає, що ви б зменшили або зняли резистор, якби хотіли йти швидше.

Фактично, це серійне припинення для лінії електропередачі, яку представляє трек. Таким чином, його значення, плюс вихідний опір водія, повинно дорівнювати характерному опору колії.

Коли ваш драйвер запускає край вниз по лінії через резистор, він рухається вниз до кінця на половині кінцевої напруги (тому що існує подільник потенціалу, утворений опорним джерелом і опором колій), а потім відображається при відкритому режимі, схема, представлена ​​на дальньому кінці, яка подвоює свою напругу до повного рівня. Відбиття повертається до джерела, після чого він припиняється резистором джерела (через низький опір вихідних драйверів).

Таким чином, дальний кінець отримує хороший чистий край, який може спокійно використовувати одну затримку розповсюдження після його надсилання (тобто якнайшвидше), і немає набору відбитків, ковзаючи назад і вперед за кілька разів кругової поїздки, які викликає EMI / перехресні розмови та затримки.

Недоліком є ​​те, що якщо ви подивитеся на середину лінії, ви побачите кумедну ступінчасту форму сигналу, а це означає, що це не завжди підходить техніка для багатопроменевих посилань. (Безумовно, не мультиплікаційні годинники)

Оновлення:

Просто для уточнення, саме час виникнення вашого сигналу має найбільше значення в цих ситуаціях, а не частота, з якою ви створюєте ребра. В ідеальному світі ви завжди мали б водіїв, які мали крайню швидкість, яка була б чутною для частоти, яку ви намагалися передати, але це часто не буває в наш час, і якщо час підвищення драйверів короткий, вам потрібно задуматися про це дзвонить. У рядку даних це може не мати значення (крім EMI), оскільки це все зупиниться перед наступним краєм годинника, але на годиннику це може бути катастрофа подвійного зчитування, навіть якщо це катастрофа, яка трапляється лише один мільйон разів на секунду.

Говард Джонсон вважає, що вам слід моделювати що-небудь довше, ніж 1/6 строку підйому, щоб побачити, чи потрібно вам припинення. Час підйому в 1нс - це 150ps, що становить приблизно дюйм. Інші люди кажуть, що такі речі, як 2 дюйми за наносекунд часу зростання, є критичною тривалістю необхідності припинення.

доведеться подавати сигнал набагато важче

Інакше: сила приводу цифрового виходу є фіксованою величиною (*) виходячи з розміру його вихідних транзисторів. Якщо у вас занадто велика сила приводу, ви отримуєте великий імпульс короткого струму. Резистор перетворює це на більш тривалий, рівний імпульс. (Я думаю, що область під імпульсом на графіку поточного часу є постійною, але математику я не робив).

Чим гостріший ваш імпульс струму, тим більше вам доведеться розглядати систему як лінію електропередачі. Тоді резистор з'являється як резистор припинення джерела.

(*) Можна придбати деякі пристрої з перемикаючою потужністю приводу, але це просто означає, що вони мають кілька вихідних транзисторів на контакт.