Können wir den Stromverbrauch digitaler Schnittstellen reduzieren, indem wir hochohmige Übertragungsleitungen verwenden?

Während hohe Impedanzen theoretisch die Verlustleistung bei gleichem Spannungshub reduzieren würden, gibt es in der Praxis mehrere wichtige Probleme.

1) Es ist die Leistung, nicht die Spannung, eines Signals, die das Signal-Rausch-Verhältnis bestimmt. Wenn Sie die volle Schiene schwingen müssen, gewinnen Sie, indem Sie die Impedanz erhöhen. Wenn Sie jedoch eine bestimmte Leistung starten, ist eine niedrige Impedanz kein so großes Problem. Reduzieren Sie einfach Ihren Schwung.

2) Es ist physikalisch nicht praktikabel, Impedanzen von viel mehr als 100 Ohm auf einer Platine zu erreichen. Der Signalleiter muss unherstellbar dünn werden, der Abstand zur Masseebene platzraubend groß. Die Impedanz entspricht dem logarithmischen Verhältnis von Abstand zu Mitte, sodass Ihnen die Verbesserung schnell ausgeht.

Es gibt andere Gründe, warum wir einen ziemlich fleischigen Mittelleiter mögen, sowie die fabelhafte Fähigkeit, ihn herzustellen. Die Kupferverluste variieren umgekehrt mit der Leiteroberfläche (die gesamte HF fließt in der Oberfläche), und tatsächlich ist 75 Ohm die Geometrie mit dem niedrigsten Verlust (weshalb sie für Empfangsantenneneinspeisungen verwendet wird). Die höchste Belastbarkeitsgeometrie liegt bei etwa 35 Ohm, abhängig von Erwärmung und elektrischen Oberflächenfeldern. Diese beiden Zahlen sind der Grund, warum 50 Ohm als Kompromiss zwischen den beiden konkurrierenden Kriterien als „Standard“-Impedanz für Testgeräte gewählt wurde.

3) In einem Hochgeschwindigkeitsdetektor ist die Eingangsimpedanz ein kritischer Parameter. Es ist einfacher, mit einer Leitung mit niedrigerer Impedanz umzugehen. Aus ähnlichen geometrischen Gründen, aus denen Sie auf einer Platine keine Leitung mit hoher Z-Zahl herstellen können, können Sie keinen Empfänger-IC mit hoher Z-Leitung herstellen.

Dieser Abschlusswiderstand schließt die Stromschleife zwischen zwei differentiellen Signalleitungen und erzeugt einen angemessenen Leistungsverlust, sodass niedrige Spannungsamplituden erforderlich sind, um den Stromverbrauch zu reduzieren.

Ich denke, es gibt hier ein Missverständnis darüber, wie Übertragungsleitungen funktionieren. Der Zweck des empfängerseitigen Abschlusses besteht darin, die gesamte Leistung abzuleiten, um zu vermeiden, dass sie reflektiert wird.

Stellen Sie sich das so vor: Es gibt einen "Impuls", der die Leitung entlang wandert. Dieser Impuls verkörpert eine bestimmte Menge an Energie. Auf dem Weg wird ein Teil dieser Energie durch die Nicht-Idealität der Übertragungsleitung dissipiert. Auf der Empfängerseite muss der Impuls eine ausreichende Amplitude haben, um von Rauschen unterschieden zu werden. Wenn Sie davon rückwärts arbeiten, erhalten Sie die Energiemenge, die in den Impuls "Start" gesteckt werden muss, um sicherzustellen, dass er sauber ankommt.

Wenn der Empfänger nicht impedanzangepasst ist, wird ein Teil des Signals reflektiert, was Ihre Signalerkennungsprobleme verschlimmert.

Wenn dies wie die Anforderungen für Radio-SNR klingt, gibt es einen sehr guten Grund: Eine Übertragungsleitung ist einer Funkwelle sehr ähnlich, die (meistens) eher in einem Draht als in einem Wellenleiter enthalten ist oder in den freien Raum strahlen darf.

Die Lösungen zur Reduzierung des Energiebedarfs sind ähnlich:

• Verbesserung des SNR: Verbesserung der Abschirmung der Übertragungsleitung und Reduzierung ihrer Kopplung mit Rauschquellen
• Verbesserung der Signalunterscheidung: bessere Kanalcodierungsschemata, empfindlichere Empfänger
• Reduzierung der Pfaddämpfung: Verbesserung der Abschirmung der Übertragungsleitung und Verringerung ihrer Kopplung mit externen Verlusten
• ohmschen Widerstand der Übertragungsleitung reduzieren
• Reduzieren Sie den Spielraum: Anstatt einen Leistungspegel zu wählen, der unter widrigen Umständen garantiert funktioniert, „trainieren“ Sie den Sender auf den minimalen zuverlässigen Leistungspegel. Derzeit ist die am weitesten verbreitete kabelgebundene Schnittstelle mit jeglicher Art von Training für DRAM, aber es ist häufiger bei drahtlosen Schnittstellen.

Nun, Sie könnten die Leistung zumindest in den Schnittstellen reduzieren, aber dies bringt eine ganze Reihe anderer Probleme mit sich.

Auf einer Leiterplatte bedeuten höhere Impedanzen schmalere Linienbreiten und größere Abstände zwischen den Schichten. Schmalere Linienbreiten wirken sich negativ auf die Produktionsausbeute aus, und größere Abstände zwischen den Schichten bedeuten mehr Material und dickere Platten. Beides treibt die PWB-Kosten in die Höhe. Selbst mit diesen Heldentaten ist es schwierig, die Single-Ended-Impedanz weit über 60 oder 70 Ohm zu bringen, wenn man von ~5,6 Mil zwischen den Schichten ausgeht, was typisch für unsere Designs ist – 0,134 Zoll Gesamtplattendicke und 24 Schichten.

Hinzu kommt das Problem, dass die meisten Hochgeschwindigkeits-Testgeräte für charakteristische Impedanzen von 50 Ohm ausgelegt sind, was Messungen an Schnittstellen mit anderen Impedanzen als 50 Ohm erschweren würde.

Während andere Antworten Ihre Frage beantwortet haben, haben Sie eine Annahme getroffen, die nicht unbedingt wahr ist:

Übertragungsleitungen müssen mit der gleichen Impedanz abgeschlossen werden wie die Übertragungsleitung selbst, um eine Impedanzanpassung zu erhalten und Reflexionen an einem hochohmigen Endpunkt zu vermeiden.

Dies wird übrigens als parallele Terminierung bezeichnet. Wenn Sie mit der Terminologie von EEs vertraut sind, sollte dies sofort zu Spekulationen über "Warum parallel? Gibt es so etwas wie eine Reihenterminierung?" Und ja, Virginia, so etwas gibt es.

Wenn die Quelle über eine Serienimpedanz gleich der Leitungsimpedanz mit einer Übertragungsleitung gekoppelt ist und das Empfangsende eine hohe Impedanz relativ zur Leitungsimpedanz aufweist, erzeugt das Empfangsende eine Reflexion. Die Reflexion wird jedoch (a) sehr klein sein und (b) absorbiert werden, wenn sie die Quelle erreicht, da die Anpassungsimpedanz als paralleler Abschluss wirkt.

Also, wenn das so toll ist, warum wird es dann nicht mehr verwendet? Traditionell besteht das größte Problem darin, dass Logikbausteine ​​unterschiedliche Ausgangsimpedanzen bei hohen und niedrigen Ausgängen haben. Dies macht ein einfaches Matching unmöglich.

Sehr hochwertige Übertragungsaufbauten verwenden sowohl serielle als auch parallele Übertragung für eine maximale Reflexionsunterdrückung, während sie die garantierte Verlustleistung von 3 dB akzeptieren, die dies impliziert.