ทำไมจึงเป็นการดีที่จะทำให้สายดิจิตัลช้าลงด้วยตัวต้านทาน

ฉันได้ยินมาว่าบางครั้งก็แนะนำให้ "ชะลอ" สายดิจิตอลโดยใส่ตัวต้านทานลงไปสมมติว่าตัวต้านทาน 100 ohm ระหว่างเอาท์พุทของหนึ่งชิปและอินพุตของชิปอื่น (สมมติว่าตรรกะ CMOS มาตรฐานสมมติว่า อัตราการส่งสัญญาณค่อนข้างช้าพูด 1-10 MHz) ประโยชน์ที่อธิบายไว้นั้นรวมถึง EMI ที่ลดลง, crosstalk ลดลงระหว่างเส้น, และลดการตีกลับของพื้นดินหรือแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายลดลง

สิ่งที่ทำให้งงเกี่ยวกับเรื่องนี้คือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการเปลี่ยนอินพุตดูเหมือนจะสูงขึ้นเล็กน้อยหากมีตัวต้านทาน อินพุตของชิปที่ขับเคลื่อนนั้นเทียบเท่ากับตัวเก็บประจุ 3-5 pF (มากกว่าหรือน้อยกว่า) และการชาร์จที่ผ่านตัวต้านทานจะใช้พลังงานทั้งสองที่เก็บไว้ในอินพุตความจุ (5 pF * (3 V) ² ) และพลังงานที่กระจายไปในตัวต้านทานในช่วงเปลี่ยน (สมมติว่า 10 NS * (3 V) ² /100 โอห์ม) การคำนวณด้านหลังของซองจดหมายแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่กระจายในตัวต้านทานเป็นลำดับความสำคัญมากกว่าพลังงานที่เก็บไว้ในความจุอินพุต การขับสัญญาณยากขึ้นลดเสียงได้อย่างไร?

คิดเกี่ยวกับการเชื่อมต่อ PCB (หรือสาย) ระหว่างเอาท์พุทและอินพุต มันเป็นเสาอากาศหรือหม้อน้ำ การเพิ่มตัวต้านทานแบบอนุกรมจะ จำกัด กระแสสูงสุดเมื่อเอาท์พุทเปลี่ยนสถานะ - ซึ่งทำให้เกิดการลดลงของสนามแม่เหล็กชั่วคราวและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะลดการเชื่อมต่อไปยังส่วนอื่น ๆ ของวงจรหรือโลกภายนอก

แรงกระตุ้นที่ไม่ต้องการ =$-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" คือหนึ่ง (เทิร์น) ในกรณีที่มีการรบกวนอย่างง่ายระหว่าง (พูด) สองแทร็ก PCB

ฟลักซ์ ( ) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าดังนั้นการเพิ่มตัวต้านทานจึงปรับปรุงสิ่งต่าง ๆ ในสองจำนวน ประการแรกกระแสสูงสุด (และด้วยเหตุนี้ฟลักซ์สูงสุด) จะลดลงและประการที่สองตัวต้านทานจะชะลออัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า (และอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์) จะลดลงอย่างเห็นได้ชัดและนี่ก็มีผลโดยตรง emf เนื่องจาก emf เป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์$\Phi$

ถัดไปให้พิจารณาเวลาที่เพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าในบรรทัดเมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้น - เวลาที่เพิ่มขึ้นจะนานขึ้นและนั่นหมายความว่าการมีเพศสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้ากับวงจรอื่น ๆ จะลดลง นี่คือสาเหตุที่ความจุหลงทางระหว่างวงจร (จำได้ว่า Q = CV): -

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

หากอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าลดลงผลของกระแสไฟฟ้าที่ฉีดเข้าไปในวงจรอื่น ๆ (ผ่านทางตัวเก็บประจุแบบกาฝาก) ก็จะลดลงเช่นกัน

สำหรับข้อโต้แย้งพลังงานในคำถามของคุณเนื่องจากวงจรเอาท์พุทมีความต้านทานเอาท์พุทอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ถ้าคุณทำคณิตศาสตร์และคำนวณพลังงานที่กระจายไปในความต้านทานนี้ในแต่ละครั้งที่ประจุไฟฟ้าอินพุตถูกปล่อยหรือปล่อยออกมาคุณจะพบว่า ไม่เปลี่ยนแปลงแม้ว่าค่าตัวต้านทานจะเปลี่ยนไป ฉันรู้ว่ามันไม่ฟังดูเป็นเรื่องง่าย แต่เราเคยโต้แย้งกันมาก่อนและฉันจะพยายามหาคำถามและเชื่อมโยงมันเพราะมันน่าสนใจ

ลองคำถามนี้ - เป็นหนึ่งในไม่กี่แห่งที่ครอบคลุมเรื่องของการสูญเสียพลังงานเมื่อชาร์จตัวเก็บประจุ มีอีกอันหนึ่งที่ฉันจะพยายามหา

นี่มันคือ

ระยะเวลาที่เหมาะสมสำหรับคุณลักษณะนี้ "ช้าลง" คือการฆ่า อัตรา การเพิ่มตัวต้านทานจะช่วยลดอัตราการฆ่าโดยสร้างตัวกรอง RC แบบโลว์พาสพร้อมกับความจุอินพุต คุณสามารถเห็นผลของตัวต้านทานดังกล่าวได้ในออสซิลโลแกรมต่อไปนี้ (เส้นโค้งสีเขียวที่มีอัตราการฆ่าสูงขึ้นจะสร้างเสียงรบกวนมากขึ้น):

การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นที่คุณพูดถึงนั้นไม่ได้เกิดขึ้นจริง ใช้พลังงานเท่ากันในการชาร์จตัวเก็บประจุไม่ว่าคุณจะชาร์จด้วยความเร็วเท่าใด การแนะนำของตัวต้านทานทำให้มองเห็นการสูญเสียพลังงานเพียงอย่างเดียวในขณะที่ไม่มีตัวต้านทานจะมีการกระจายพลังงานที่เหมือนกันโดยประตูเอาท์พุท CMOS

มันเป็นเรื่องที่เกินความจริงที่จะคิดว่าตัวต้านทานเป็น 'ชะลอตัว' สายเพราะนั่นไม่ใช่สิ่งที่มันมีอยู่อย่างน้อยในการส่งสัญญาณความเร็วสูงและดูเหมือนว่าคุณจะลดหรือลบตัวต้านทานถ้าคุณต้องการ ไปเร็วขึ้น

ในความเป็นจริงมันเป็นการยกเลิกซีรีย์สำหรับสายส่งที่แทร็กเป็นตัวแทน ดังนั้นค่าของมันบวกกับความต้านทานเอาต์พุตของไดรเวอร์ควรเท่ากับค่าอิมพิแดนซ์ของแทร็ก

เมื่อคนขับของคุณปล่อยเส้นขอบลงผ่านตัวต้านทานมันจะเดินทางลงไปที่ส่วนปลายสุดของแรงดันไฟฟ้าสุดท้ายครึ่งหนึ่ง (เนื่องจากมีตัวหารที่มีศักยภาพเกิดขึ้นจากอิมพีแดนซ์แหล่งกำเนิดและอิมพิแดนซ์แทร็ก) วงจรแสดงที่ปลายไกลซึ่งเป็นสองเท่าของแรงดันไฟฟ้าให้เต็มระดับ การสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดซึ่งจุดนั้นจะถูกยกเลิกโดยตัวต้านทานแหล่งที่มา (ผ่านความต้านทานต่ำของไดรเวอร์เอาต์พุต)

ดังนั้นไกลสุดจะได้ขอบที่สะอาดซึ่งสามารถใช้การหน่วงเวลาการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วหลังจากถูกส่ง (เช่นโดยเร็วที่สุด) และไม่มีชุดของการสะท้อนย้อนกลับไปข้างหน้าและข้างหน้าอีกหลายครั้ง ทำให้เกิด EMI / crosstalk และความล่าช้า

ข้อเสียคือถ้าคุณดูตรงกลางบรรทัดคุณจะเห็นรูปคลื่นที่ตลกซึ่งหมายความว่านี่ไม่ใช่เทคนิคที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมโยงแบบหลายจุด (แน่นอนว่าไม่ใช่นาฬิกา multidrop)

ปรับปรุง:

เพื่อชี้แจงให้ชัดเจนว่าเป็นสัญญาณเพิ่มขึ้นของคุณที่สำคัญที่สุดในสถานการณ์เหล่านี้ไม่ใช่ความถี่ที่คุณสร้างขอบ ในโลกอุดมคติคุณมักจะมีไดรเวอร์ที่มีอัตราความเร็วที่เหมาะสมสำหรับความถี่ที่คุณพยายามส่งสัญญาณ แต่มันก็ไม่ใช่ในทุกวันนี้และถ้าคนขับรถของคุณมีเวลา จำกัด คุณต้องคิดถึง แจ๋ว บนสายข้อมูลสิ่งนี้อาจไม่สำคัญ (นอกเหนือจาก EMI) เพราะมันจะหยุดก่อนที่ขอบนาฬิกาถัดไป แต่บนนาฬิกามันอาจเป็นภัยพิบัติที่มีการตอกบัตรซ้ำแม้ว่าจะเป็นหายนะที่เกิดขึ้นเพียงหนึ่งล้านเท่านั้น ครั้งที่สอง

โฮเวิร์ดจอห์นสันคิดว่าคุณควรจะเลียนแบบอะไรนานกว่า 1 ใน 6 ของช่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นเพื่อดูว่าคุณต้องการเลิกจ้างหรือไม่ เมื่อเวลาเพิ่มขึ้น 1ns นั่นคือ 150ps ซึ่งประมาณหนึ่งนิ้ว คนอื่น ๆ บอกว่าสิ่งต่าง ๆ เช่น 2 นิ้วต่อนาโนวินาทีของเวลาที่เพิ่มขึ้นคือความยาวที่สำคัญสำหรับการเลิกจ้าง

ต้องขับสัญญาณให้หนักขึ้น

อีกทางหนึ่ง: ความแรงของไดรฟ์ของเอาต์พุตดิจิตอลเป็นปริมาณคงที่ (*) ตามขนาดของทรานซิสเตอร์เอาท์พุท หากคุณมีความแข็งแรงของไดรฟ์มากเกินไปคุณจะได้รับพัลส์กระแสสั้นขนาดใหญ่ ตัวต้านทานเปลี่ยนให้เป็นพัลส์ที่ยาวและยาวขึ้น (ฉันคิดว่าพื้นที่ภายใต้พัลส์ในกราฟเวลาปัจจุบันคงที่ แต่ฉันไม่ได้ทำคณิตศาสตร์)

ยิ่งพัลส์ปัจจุบันของคุณคมชัดยิ่งคุณต้องพิจารณาระบบเป็นสายส่งมากขึ้นเท่านั้น จากนั้นตัวต้านทานจะปรากฏเป็นตัวต้านทานการเลิกจ้างแหล่งที่มา

(*) คุณสามารถรับอุปกรณ์บางอย่างที่มีความแข็งแรงของไดรฟ์สลับได้ แต่นั่นก็หมายความว่าพวกเขามีทรานซิสเตอร์เอาต์พุตหลายตัวต่อขา