Почему хорошо замедлять цифровые линии с помощью резисторов?

Я слышал, что иногда рекомендуется «замедлить» цифровую линию, поместив на нее резистор, скажем, резистор 100 Ом между выходом одной микросхемы и входом другой микросхемы (предположим, что используется стандартная логика CMOS; скорость передачи сигналов довольно низкая, скажем, 1-10 МГц). Описанные преимущества включают в себя снижение уровня электромагнитных помех, уменьшение перекрестных помех между линиями, а также уменьшение отказов заземления или провалов напряжения питания.

Что вызывает удивление, так это то, что общее количество энергии, используемой для переключения входа, может показаться немного выше, если есть резистор. Вход микросхемы, которая приводится в действие, эквивалентен чему-то вроде конденсатора 3-5 пФ (больше или меньше), и зарядка этого резистора забирает энергию, накопленную на входной емкости (5 пФ * (3 В) ² ) а энергия рассеивается в резисторе во время переключения (скажем , 10 нс * (3 в) ² /100 Ом). Расчет обратной оболочки показывает, что энергия, рассеиваемая в резисторе, на порядок больше, чем энергия, запасенная на входной емкости. Как управлять сигналом намного сложнее, чтобы снизить шум?

Подумайте о соединении печатной платы (или проводе) между выходом и входом. Это в основном антенна или радиатор. Добавление последовательного резистора ограничит пиковый ток, когда выход изменит состояние, что приведет к уменьшению генерируемого переходного магнитного поля и, следовательно, приведет к снижению связи с другими частями цепи или внешним миром.

Нежелательная вызванная ЭДС =$-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

«N» - это один (поворот) в случае простой помехи между (скажем) двумя дорожками печатной платы.

Поток ( ) прямо пропорционален току, поэтому добавление резистора улучшает ситуацию по двум причинам; во-первых, пиковый ток (и, следовательно, пиковый поток) уменьшается, а во-вторых, резистор замедляет скорость изменения тока (и, следовательно, скорость изменения потока), и, очевидно, это напрямую влияет на величину любого индуцированного ЭДС, потому что ЭДС пропорциональна скорости изменения потока.$\Phi$

Далее рассмотрим время нарастания напряжения на линии при увеличении сопротивления - время нарастания станет больше, и это означает, что электрическое поле, связанное с другими цепями, будет уменьшено. Это связано с паразитной емкостью между цепями (помня, что Q = CV):

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

Если скорость изменения напряжения уменьшается, то влияние тока, подаваемого в другие цепи (через паразитную емкость), также уменьшается.

Что касается энергетического аргумента в вашем вопросе, учитывая, что выходная цепь неизбежно имеет некоторое выходное сопротивление, если вы выполнили математические вычисления и рассчитали мощность, рассеиваемую в этом сопротивлении каждый раз, когда входная емкость заряжалась или разряжалась, вы обнаружите, что эта мощность не ' t, даже если значение резистора изменилось. Я знаю, что это не звучит интуитивно, но мы уже обсуждали этот аргумент, и я постараюсь найти вопрос и связать его, потому что это интересно.

Попробуйте этот вопрос - он один из немногих, который охватывает вопрос о том, как теряется энергия при зарядке конденсаторов. Есть более свежая, которую я постараюсь найти.

Вот оно

Правильный термин для этой функции «замедления» - скорость нарастания . Добавление резистора уменьшает скорость нарастания, формируя RC фильтр нижних частот с входной емкостью. Вы можете увидеть влияние таких резисторов на следующей осциллограмме (зеленая кривая с более высокой скоростью нарастания производит намного больше шума):

Увеличение энергопотребления, о котором вы говорите, на самом деле не реально. Для зарядки конденсатора требуется одинаковое количество энергии, независимо от того, насколько быстро вы его заряжаете. Введение резистора только сделало эту потерю энергии видимой, тогда как без резистора та же самая энергия рассеивается выходными затворами CMOS.

Упрощенно думать, что резистор «замедляет» линию, потому что это не совсем то, для чего он нужен, по крайней мере, в высокоскоростной сигнализации, и кажется, что это означает, что вы бы уменьшили или удалили резистор, если хотите быстрее.

Фактически, это последовательное завершение линии передачи, которую представляет дорожка. Таким образом, его значение плюс выходное сопротивление драйвера должно равняться характеристическому сопротивлению дорожки.

Когда ваш драйвер запускает фронт по линии через резистор, он перемещается вниз к дальнему концу с половиной конечного напряжения (потому что есть потенциальный делитель, образованный импедансом источника и импедансом дорожки), а затем отражается на разомкнутой линии. Схема представлена ​​на дальнем конце, который удваивает свое напряжение до полного уровня. Отражение возвращается обратно к источнику, и в этот момент оно прекращается резистором источника (через низкий импеданс выходных драйверов).

Таким образом, дальний конец получает хороший чистый край, который он может безопасно использовать одну задержку распространения после того, как он был отправлен (т. Е. Как можно скорее), и нет набора отражений, смещающихся назад и вперед в течение нескольких циклов приема-передачи, что вызывает EMI / перекрестные помехи и задержки.

Недостатком является то, что если вы посмотрите на середину линии, вы увидите забавную ступенчатую форму волны, а это означает, что этот метод не всегда подходит для многоточечных ссылок. (Конечно, не многоточечные часы)

Обновить:

Просто чтобы прояснить, это время нарастания вашего сигнала, которое имеет наибольшее значение в этих ситуациях, а не частота, с которой вы генерируете фронты. В идеальном мире у вас всегда были бы драйверы с граничными частотами, которые были бы разумны для частоты, которую вы пытались передать, но сегодня это часто не так, и если время нарастания вашего драйвера короткое, то вам нужно подумать о звон. На линии данных это может не иметь значения (кроме EMI), потому что все это остановится до следующего фронта тактового сигнала, но на тактовой частоте это может быть аварией с двойной синхронизацией, даже если это авария, которая происходит только на миллион раз в секунду.

Говард Джонсон считает, что вы должны имитировать что-либо дольше 1/6 времени нарастания, чтобы увидеть, нужно ли вам прекращение. При времени нарастания 1 нс это 150 с, что составляет около дюйма. Другие люди говорят, что такие вещи, как 2 дюйма в наносекунду времени нарастания, являются критической длиной для необходимости завершения.

необходимость управлять сигналом намного сложнее

Иначе: сила привода цифрового выхода - это фиксированная величина (*), основанная на размере выходных транзисторов. Если у вас слишком большая сила привода, вы получите большой короткий импульс тока. Резистор превращает это в более длинный, более плоский импульс. (Я думаю, что площадь под импульсом на графике текущего времени постоянна, но я не делал математики).

Чем острее ваш текущий импульс, тем больше вы должны рассматривать систему как линию передачи. Тогда резистор появляется как согласующий резистор источника.

(*) Вы можете получить некоторые устройства с переключаемой мощностью привода, но это просто означает, что они имеют несколько выходных транзисторов на вывод.