Linia Długa Technika Cyfrowa i Impulsowa

1. Linia DługaTechnika Cyfrowa i Impulsowa Ernest Jamro C3-504, tel. 6172792 Katedra Elektroniki Akademia Górniczo-Hutnicza

2. Elementy rozproszone R – rezystancja na jednostkę długości linii [Ω/m] – reprezentująca wszelkie straty cieplne w obu przewodach linii L – indukcyjność na jednostkę długości linii [H/m]– reprezentująca pole magnetyczne obu przewodów linii C – pojemność na jednostkę długości linii [F/m]– reprezentująca pole elektryczne w dielektryku między przewodami linii G – upływność na jednostkę długości linii G [S/m] – reprezentująca ewentualne straty cieplne w dielektryku. Dla linii bezstratnej pomija się R i G

3. Kiedy linia długa: Rozproszoną pojemność, indukcyjność i rezystancje już nie możemy traktować jako pojedyncze elementy ale musimy rozważać że są one rozproszone – składają się z nieskończonej liczby małych elementów Przyjmuje się że jeżeli długość linii należy już stosować linię długą, (- długość fali ) V- prędkość fali – z reguły V=c (prędkość światła c= 3108 m/s)

4. Równanie linii stratna bezstratna

5. Impedancja Falowa Linii Długiej Dla linii bezstratnej

6. Prędkość rozchodzenia Dla linii bez strat Czas propagacji przez linię:

7. Rodzaje linii długich

8. Współczynnik odbicia Współczynnik odbicia na wejściu [ro] Współczynnik odbicia na wyjściu

9. Równanie rozchodzenia się fali Rozwinięcie w szereg: Dla t< Dla < t <2 Dla 2< t <3 Dla 3< t <4 Początek: x=0; koniec: x=l Dla Eg(t)=1(t)

10. Metoda Bergerona

11. Równanie dla prądu Zmiana znaku dla fali odbitej od obciążenia

12. Napięcie/prąd w stanie ustalonym Początek linii Koniec linii Napięcie i prąd zachowują się tak jakby linię długą zastąpić zwykłym przewodem

13. Przykład przebiegu czasowego Zg= 50; Z0= 75, ZL= (rozwarcie), Eg(t)= 1(t)

14. Przykład cd.

15. Dopasowanie impedancyjne Dopasowanie na wejściu Dopasowanie na wyjściu Dopasowanie na wejściu Dopasowanie na wyjściu

16. Obciążenie reaktancyjne Założenie – dopasowanie na wejściu. Można stosować metodę: czoła i grzbietu Do obliczania stałej czasowej zakłada się, że linia długa ma impedancję Z0

17. Układ dopasowujący generator do linii długiej • Z0= R2|| (R1+Rg) - warunek dopasowania • Rg<Z0: R1= Z0-Rg R2- rozwarty • Rg>Z0: R1= 0 (zwarty) R2||Rg= Z0

18. Czwórnik dopasowujący Z1= R1 + (R2 || Z2) Z2= R2 || (R1 + Z1) Warunek dopasowania Współczynnik tłumienia:

19. Czwórnik rozdzielający Uwaga na tłumienie: Lepiej użyć transformator impulsowy lub aktywny rozdzielacz Warunek dopasowania Z1= [R1 + (R2 || Z2)]/2 (1) Z2= R2 || [R1 + Z1||(R1 + (R2 || Z2))]= R2 || [R1 +2Z1/3] (2) Bo według (1): Z1||(R1 + (R2 || Z2))= Z1||2Z1= 2Z1/3

20. Metody dopasowania linii Moc tracona na rezystorze dla VDD=5V oraz dla R= Zo=50, Rgen=0 P=VDD2/R= 25/50= 0.5W (przy założeniu przeciwnego stanu do stanu podłączenia rezystora)

21. Dopasowanie linii długiej Dla R1=R2 =2Z0, Z0=50, VDD=5V otrzymujemy: R1=R2= 100 ; Moc tracona w rezystorach R1 i R2 (przy braku obciążenia – stan HiZ) wynosi: VDD=5V: P= 125mW VDD=3.3V: P= 54mW VDD= 2.5V: P= 31mW Moc tracona (przy wymuszeniu 0 lub 1 i rezystancji generatora Rgen wynosi: Rgen=0 Rgen=Z0;VH= 0.75VDD, VL=0.25VDD VDD=5V: P= 250mW P= 162mW VDD=3.3V: P= 107mW P= 70mW VDD= 2.5V: P= 62.5mW P= 40.3mW VDD=5V: P= 500mW VDD=3.3V: P= 200mW VDD= 2.5V: P= 125mW

22. Lepsza metoda dopasowaniaMoc dla stanu wysokiej impedancji: P=0W R= Z0 Dla stanu 0 lub 1: Rgen=0 Rgen=Z0,VL=0.25VDD, VH=0.75VDD VDD= 5V, Z0= 50  P= 125mW P= 62.5mW X

23. LVDS (Low-Voltage Differential Signalling) Standard umożliwiający bardzo szybki transfer danych. W ramach jednego połączenia używa się 2 fizycznych linii (czasami 4 aby umożliwić transfer w dwóch kierunkach)

24. LVDS – poziomy napięć Różnica napięć to tylko 0.3V przez co zmniejsza się moc tracona na rezystorze oraz zmniejsza się emisja fal elektromagnetycznych (zakłóceń), mniej gwałtownie zmienia się napięcie, przez co odbicia na linii długiej są mniejsze i częstotliwość pracy może być większa. Dwie bardzo blisko prowadzone linie powodują że zewnętrze zakłócenie się równoważy

25. + +OUT 100 ohms GND -OUT + “sees” 50 ohms immediately between core and shield How to use Transmission Lines • Special Case for Balanced Differential Signals • Connect shields together “sees” 50 ohms immediately between core and shield Balanced = equal and opposite That is for AC components: (+OUT) = -(-OUT)

26. LVDS – gdzie używane: Standardy szeregowe Serial ATA SATA1- 1.5 Gb/s; SATA2 – 3Gb/s, SATA3- 6Gb/s FireWire (IEEE 1394 ) 400Mb/s (1600Mb/s) Standardy równoległo/szeregowe RocetIO – do łączenia układów scalonych, 10Gb/s /linię PCI-Express 2.5Gb/s / linie – dla 16linii= 4GB/s gen2: 5Gb/s/linię; gen3: 8Gb/s HyperTransport: 200Mb/s – 6.4Gb/s / linie

27. Phase Lock Loop (PLL)Delay Lock Loop (DLL) PLL DLL

28. Buforowanie sygnału zegarowego

29. Dystrybucja sygnału zegarowego Litera H Małe przesunięcie zegara – ang. Low skew Ale duże opóźnienie zegara

30. How to use Transmission Lines • Eliminate reflective features larger than 1/10th of a wavelength • Avoid impendence changes 45 deg 45 deg 1/10th wavelength 1/10th wavelength

31. Kondensator przy zasilaniu Praktycznie każdy układ cyfrowy wymaga użycia kondensatora pomiędzy napięciem zasilania a masą. Kondensator tej jest potrzebny ponieważ układy cyfrowe wymagają bardzo dużych chwilowych prądów (szpilek) zasilania podczas przełączania.

32. Signal return path issues (decoupling) • Every High Frequency input and output • All AC current out/in must return to both “nearby” supplies VCC OUT Load VEE “Decoupling Capacitor” – Must be a “short” at signal frequency ground path – minimum length!

33. PCB view – power planes

34. Reduction of the ESL

35. Non-Ideal Capacitor ESR - equivalent series resistance

36. Collection of the capasitors

37. Koniec

38. Inne podejście do równania Dla początku i końca Stały współczynnik mnożący:

39. Stała propagacji (współczynnik przenoszenia) Dla linii bez strat  - współczynnik tłumienia ( dla linii bez strat wynosi 0)  - współczynnik przesunięcia (dla linii bez strat wynosi )

40. Stała propagacji