Warum ist es gut, digitale Leitungen mit Widerständen zu verlangsamen?

Denken Sie an eine Leiterplattenverbindung (oder einen Draht) zwischen einem Ausgang und einem Eingang. Es ist im Grunde eine Antenne oder ein Strahler. Das Hinzufügen eines Vorwiderstands begrenzt den Spitzenstrom, wenn der Ausgang seinen Zustand ändert – dies führt zu einer Verringerung des erzeugten transienten Magnetfelds und verringert daher tendenziell die Kopplung mit anderen Teilen der Schaltung oder der Außenwelt.

Unerwünschte induzierte EMK =$-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" ist eins (Windung) im Fall einer einfachen Interferenz zwischen (sagen wir) zwei Leiterbahnen.

Fluss ($\Phi$) ist direkt proportional zum Strom und so verbessert das Hinzufügen eines Widerstands die Dinge in zweierlei Hinsicht; Erstens wird der Spitzenstrom (und damit der Spitzenfluss) reduziert, und zweitens verlangsamt der Widerstand die Änderungsrate des Stroms (und damit die Änderungsrate des Flusses), und dies hat eindeutig eine direkte Auswirkung auf die Größe einer Induktion EMK, weil EMK proportional zur Änderungsrate des Flusses ist.

Betrachten Sie als Nächstes die Anstiegszeit der Spannung auf der Leitung, wenn der Widerstand erhöht wird – die Anstiegszeit wird länger und dies bedeutet, dass die Kopplung des elektrischen Felds mit anderen Schaltkreisen verringert wird. Dies liegt an der Streukapazität zwischen den Schaltkreisen (wobei daran erinnert wird, dass Q = CV): -

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

Wenn die Änderungsrate der Spannung abnimmt, nimmt auch die Wirkung des in andere Schaltungen (über parasitäre Kapazität) injizierten Stroms ab.

Was das Energieargument in Ihrer Frage betrifft, da der Ausgangskreis zwangsläufig einen gewissen Ausgangswiderstand aufweist, würden Sie feststellen, dass diese Leistung nicht vorhanden ist, wenn Sie rechnen und die Verlustleistung in diesem Widerstand jedes Mal berechnen, wenn die Eingangskapazität geladen oder entladen wird. t ändern sich auch dann, wenn sich der Widerstandswert geändert hat. Ich weiß, es klingt nicht intuitiv, aber wir haben dieses Argument schon einmal behandelt, und ich werde versuchen, die Frage zu finden und zu verlinken, weil sie interessant ist.

Probieren Sie diese Frage aus - sie ist eine von wenigen, die das Thema behandeln, wie Energie beim Aufladen von Kondensatoren verloren geht. Es gibt eine neuere, die ich versuchen werde zu finden.

Hier ist es.

Der richtige Begriff für diese „Verlangsamungs“-Funktion ist Slew Rate . Durch das Hinzufügen eines Widerstands wird die Anstiegsgeschwindigkeit verringert, indem mit der Eingangskapazität ein Tiefpass-RC-Filter gebildet wird. Die Wirkung solcher Widerstände können Sie im folgenden Oszillogramm sehen (grüne Kurve mit höherer Anstiegsgeschwindigkeit erzeugt viel mehr Rauschen):

Der von Ihnen erwähnte Stromverbrauchsanstieg ist tatsächlich nicht real. Es wird die gleiche Energiemenge benötigt, um einen Kondensator aufzuladen, unabhängig davon, wie schnell Sie ihn aufladen. Die Einführung des Widerstands machte diesen Energieverlust nur sichtbar, während ohne den Widerstand genau die gleiche Energie von den CMOS-Ausgangstoren dissipiert wird.

Es ist eine zu starke Vereinfachung, sich vorzustellen, dass der Widerstand die Leitung „verlangsamt“, denn dafür ist er nicht wirklich da, zumindest bei der Hochgeschwindigkeitssignalisierung, und es scheint zu implizieren, dass Sie den Widerstand reduzieren oder entfernen würden, wenn Sie wollten geh schneller.

Tatsächlich ist es ein Serienabschluss für die Übertragungsleitung, die die Strecke darstellt. Daher sollte sein Wert plus der Ausgangsimpedanz des Treibers gleich der charakteristischen Impedanz der Spur sein.

Wenn Ihr Treiber über den Widerstand eine Kante entlang der Leitung startet, wandert sie mit der halben Endspannung zum anderen Ende (weil es einen Potentialteiler gibt, der durch die Quellenimpedanz und die Streckenimpedanz gebildet wird) und wird dann am offenen Ende reflektiert. am fernen Ende dargestellte Schaltung, die ihre Spannung auf den vollen Pegel verdoppelt. Die Reflexion wandert zurück zur Quelle, wo sie durch den Quellenwiderstand (über die niedrige Impedanz der Ausgangstreiber) beendet wird.

Das ferne Ende erhält also eine schöne saubere Kante, die es sicher eine Ausbreitungsverzögerung nach dem Senden verwenden kann (dh so bald wie möglich), und es gibt keine Reihe von Reflexionen, die für mehrere Umlaufzeiten hin und her schwappen, was verursacht EMI/Übersprechen und Verzögerungen.

Der Nachteil ist, dass Sie, wenn Sie in die Mitte der Linie schauen, eine komische gestufte Wellenform sehen, was bedeutet, dass diese Technik nicht immer für Multidrop-Verbindungen geeignet ist. (Sicherlich keine Multidrop-Uhren)

Aktualisieren:

Nur zur Verdeutlichung: In diesen Situationen ist die Anstiegszeit Ihres Signals am wichtigsten, nicht die Frequenz, mit der Sie Flanken erzeugen. In einer idealen Welt hätten Sie immer Treiber mit Flankenraten, die für die Frequenz, die Sie zu übertragen versuchten, vernünftig waren, aber das ist heutzutage oft nicht der Fall, und wenn Ihre Treiberanstiegszeit kurz ist, müssen Sie darüber nachdenken Klingeln. Auf einer Datenleitung spielt dies möglicherweise keine Rolle (außer EMI), da alles vor der nächsten Taktflanke gestoppt wurde, aber auf einer Uhr kann es sich um eine Katastrophe mit doppelter Taktung handeln, selbst wenn es sich um eine Katastrophe handelt, die nur eine Million Mal passiert mal pro Sekunde.

Howard Johnson meint, Sie sollten etwas länger als 1/6 der Anstiegszeit simulieren, um zu sehen, ob Sie eine Terminierung benötigen. Bei einer Anstiegszeit von 1 ns sind das 150 ps, ​​was ungefähr einem Zoll entspricht. Andere Leute sagen, dass Dinge wie 2 Zoll pro Nanosekunde Anstiegszeit die kritische Länge für die Notwendigkeit einer Terminierung sind.

ein Signal viel härter fahren zu müssen

Andersherum: Die Treiberstärke eines digitalen Ausgangs ist eine feste Größe (*), basierend auf der Größe seiner Ausgangstransistoren. Wenn Sie zu viel Antriebskraft haben, erhalten Sie einen großen kurzen Stromimpuls. Ein Widerstand macht daraus einen längeren, flacheren Impuls. (Ich denke, die Fläche unter dem Puls im Strom-Zeit-Diagramm ist konstant, aber ich habe nicht nachgerechnet).

Je schärfer Ihr Strompuls ist, desto mehr müssen Sie das System als Übertragungsleitung betrachten. Dann erscheint der Widerstand als Source-Abschlusswiderstand.

(*) Sie können einige Geräte mit umschaltbarer Treiberstärke erhalten, aber das bedeutet nur, dass sie mehrere Ausgangstransistoren pro Pin haben.