Mengapa bagus untuk memperlambat jalur digital dengan resistor?

26

Saya pernah mendengar bahwa kadang-kadang dianjurkan untuk "memperlambat" garis digital dengan meletakkan resistor di atasnya, katakanlah resistor 100 ohm antara output dari satu chip dan input dari chip lain (asumsikan logika CMOS standar; asumsikan Tingkat pensinyalan sangat lambat, katakanlah 1-10 MHz). Manfaat yang diuraikan termasuk berkurangnya EMI, berkurangnya crosstalk di antara saluran, dan penurunan pentalan tanah atau penurunan tegangan suplai.

Yang membingungkan tentang ini adalah bahwa jumlah total daya yang digunakan untuk mengganti input tampaknya akan sedikit lebih tinggi jika ada resistor. Input chip yang digerakkan setara dengan sesuatu seperti kapasitor 3-5 pF (kurang lebih), dan pengisian melalui resistor membutuhkan energi yang tersimpan dalam kapasitansi input (5 pF * (3 V) ² ) dan energi dihamburkan di resistor selama switching (katakanlah 10 ns * (3 V) ² /100 ohm). Perhitungan back-of-the-envelope menunjukkan bahwa energi yang dihamburkan dalam resistor adalah urutan besarnya lebih besar dari energi yang tersimpan dalam kapasitansi input. Bagaimana cara menggerakkan sinyal jauh lebih sulit mengurangi kebisingan?

digital-logic noise emc

— Alex I
sumber

1

"Bagaimana cara menggerakkan sinyal jauh lebih sulit mengurangi kebisingan?" Anda tidak mengendarainya "jauh lebih sulit" untuk mendapatkan manfaat ini, misalnya pengurangan EMI. Anda mengendarainya sama seperti sebelumnya (tanpa resistor). Anda mengukur filter (resistor) sesuai dengan roll-off yang diinginkan. Lihat onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8200-D.PDF

— Fizz

1

Untuk menambahkan pada apa yang dijelaskan Andy dan Dimitry (yang benar dalam hal besarnya dan (dengan cara) frekuensi laju tepi (bukan laju bit atau frekuensi peralihan) penyegaran pada Fenomena Gibbs ini mungkin membantu en.wikipedia .org / wiki / Gibbs_phenomenon

— cowboydan

24

Pikirkan tentang koneksi PCB (atau kabel) antara output dan input. Ini pada dasarnya adalah antena atau radiator. Menambahkan resistor seri akan membatasi arus puncak ketika output berubah keadaan - yang menyebabkan pengurangan medan magnet transien yang dihasilkan dan karena itu akan cenderung mengurangi kopling ke bagian lain dari rangkaian atau dunia luar.

Emf yang diinduksi tidak diinginkan = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" adalah satu (berbelok) dalam hal gangguan sederhana antara (katakanlah) dua trek PCB.

Fluks ( ) berbanding lurus dengan arus dan dengan demikian menambahkan resistor meningkatkan hal-hal pada dua hitungan; pertama, arus puncak (dan karenanya fluks puncak) berkurang dan kedua, resistor memperlambat laju perubahan arus (dan karenanya laju perubahan fluks) dan jelas ini memiliki hasil langsung pada besarnya setiap induksi ggl karena ggl sebanding dengan laju perubahan fluks. $\Phi$

Selanjutnya, perhatikan waktu naik tegangan pada saluran ketika resistan meningkat - waktu naik akan semakin lama dan ini berarti bahwa kopling medan listrik ke sirkuit lain akan berkurang. Hal ini disebabkan oleh kapasitansi antar-sirkuit (mengingat bahwa Q = CV): -

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

Jika laju perubahan tegangan berkurang maka efek arus yang disuntikkan ke sirkuit lain (melalui kapasitansi parasit) juga menurun.

Adapun argumen energi dalam pertanyaan Anda, mengingat bahwa rangkaian output pasti memiliki beberapa resistansi keluaran, jika Anda melakukan perhitungan dan menghitung daya yang dihamburkan dalam resistansi ini setiap kali kapasitansi input diisi atau dikosongkan, Anda akan menemukan bahwa daya ini tidak t berubah walaupun nilai resistor berubah. Saya tahu ini kedengarannya tidak intuitif, tetapi kami telah membahas argumen ini sebelumnya dan saya akan mencoba dan menemukan pertanyaan serta menautkannya karena itu menarik.

Coba pertanyaan ini - ini adalah salah satu dari sedikit yang membahas tentang bagaimana energi hilang saat mengisi kapasitor. Ada yang lebih baru yang akan saya coba temukan.

Ini dia.

— Andy alias
sumber

Juga untuk mendapatkan pemahaman saya yang terbatas (dan / atau memasukkannya ke dalam istilah praktis). Apakah menambahkan resistor seri "cocok dengan impedansi" sumber impedansi (misalnya Vdrop / Iout dari driver sumber) dengan resistor + impedansi karakteristik jejak PCB? Misalnya jika sumbernya adalah 100 ohm typ., Dan jejak PCB Anda adalah karakteristik Z = 75 ohm, Anda akan menambahkan resistor 25 ohm (5%) sehingga mengurangi pantulan.

— Hans

@Memiliki jawaban saya untuk mengatasi masalah kapasitansi input dan karena itu harus diasumsikan bahwa panjang garis kecil dibandingkan dengan panjang gelombang sinyal yang terlibat. Dengan kata lain jawaban ini tidak membahas masalah yang berbeda yaitu impedansi karakteristik saluran transmisi. Juga, jika sumbernya 100 ohm maka menambahkan 25 ohm membuat sumber terlihat seperti 125 ohm dan bukan 75 ohm. Mungkin Anda harus mengajukan pertanyaan baru atau mungkin saya salah mengartikan komentar Anda?

— Andy alias

Terima kasih, ya saya melihat saya bingung resistor dengan menambahkannya ke saluran, bukan sumber. Tapi bagaimanapun, saya percaya mereka harus dicocokkan. Itu hanya sesuatu di atas kepala saya yang saya bertanya-tanya apakah itu adalah fenomena yang sama. Saya mungkin akan mempostingnya sebagai pertanyaan khusus sebagai gantinya dalam waktu dekat.

— Hans

17

Istilah yang tepat untuk fitur "melambat" ini adalah laju perubahan tegangan . Menambahkan resistor mengurangi laju perubahan tegangan dengan membentuk filter RC low-pass dengan kapasitansi input. Anda dapat melihat efek dari resistor tersebut dalam osilogram berikut (kurva hijau dengan laju perubahan tegangan lebih tinggi menghasilkan lebih banyak noise):

Peningkatan konsumsi daya yang Anda sebutkan sebenarnya tidak nyata. Dibutuhkan jumlah energi yang sama untuk mengisi kapasitor, terlepas dari seberapa cepat Anda mengisi daya. Pengenalan resistor hanya membuat kehilangan energi ini terlihat, sedangkan tanpa resistor energi yang sama dihamburkan oleh gerbang output CMOS.

— Dmitry Grigoryev
sumber

4

Secara teknis laju perubahan tegangan bukan istilah yang tepat - Anda mungkin memiliki penguat atau driver atau buffer dengan output terbatas laju perubahan tegangan, tetapi menambahkan resistor untuk memperlambat sinyal cepat hanya karena - menghasilkan bentuk eksponensial dan dV / dt tidak dipaksa untuk beberapa batas laju perubahan tegangan.

— Andy alias

2

Bentuk eksponensial membatasi dV / dt oleh kemiringan awal eksponen, V / (RC). Tapi saya setuju dengan pernyataan itu - pin laju perubahan tegangan lambat tidak dibuat dengan menambahkan resistor ke gerbang laju perubahan tegangan internal secara internal. Respons laju perubahan tegangan lambat yang ideal seharusnya linier, tidak eksponensial, dan tidak tergantung pada kapasitansi beban.

— Dmitry Grigoryev

1

Naikkan waktu atau tingkat tepi, bukan laju perubahan tegangan

— endolith

@ endolith Care untuk menjelaskan perbedaan antara laju tepi dan laju perubahan tegangan? Naik waktu hanya tegangan dibagi dengan laju perubahan tegangan, mereka benar-benar mengekspresikan hal yang sama di unit yang berbeda.

— Dmitry Grigoryev

@DmitryGrigoryev Slewing mendistorsi gelombang sinus, pemfilteran RC tidak. Laju perubahan tegangan dalam op-amp adalah ketika batas pengisian dari sumber arus dan secara linear mendekati nilai akhir dan kemudian tetap di sana. "Waktu naik" berlaku untuk filter RC yang dibebankan oleh sumber tegangan, menghasilkan peluruhan eksponensial yang (secara teoritis) tidak pernah mencapai nilai akhir, hanya secara asimptotik yang mendekatinya. radio-electronics.com/images/op-amp-slew-rate-01.gif radio-electronics.com/images/op-amp-slew-rate-02.gif ee.nmt.edu/~wedeward/EE212L/SP15 /RCSquareWaveProbeFig2.gif

— endolith

4

Ini adalah penyederhanaan berlebihan untuk menganggap resistor sebagai 'memperlambat' garis, karena itu tidak benar-benar untuk apa, setidaknya dalam pensinyalan berkecepatan tinggi, dan tampaknya menyiratkan bahwa Anda akan mengurangi atau menghapus resistor jika Anda ingin lebih cepat.

Faktanya, ini adalah terminasi seri untuk saluran transmisi yang diwakili oleh trek. Dengan demikian, nilainya, ditambah impedansi keluaran pengemudi, harus sama dengan impedansi karakteristik trek.

Ketika driver Anda meluncurkan ujung ke bawah melalui resistor, itu bergerak ke ujung jauh di setengah tegangan akhir (karena ada pembagi potensial yang dibentuk oleh impedansi sumber dan impedansi trek), dan kemudian tercermin pada open- sirkuit diwakili di ujung yang jauh, yang menggandakan tegangan ke level penuh. Refleksi bergerak kembali ke sumber, di mana titik itu diakhiri oleh resistor sumber (melalui impedansi rendah dari driver output).

Jadi ujung jauh mendapatkan tepi bersih yang bagus, yang dapat dengan aman menggunakan satu penundaan propagasi setelah dikirim (yaitu sesegera mungkin), dan tidak ada satu set pantulan bergerak mundur dan maju untuk beberapa kali perjalanan pulang pergi, yang menyebabkan EMI / crosstalk dan penundaan.

Kerugiannya adalah jika Anda melihat di tengah garis, Anda akan melihat bentuk gelombang langkah lucu, yang berarti ini tidak selalu teknik yang cocok untuk tautan multidrop. (Tentu saja bukan jam multidrop)

Memperbarui:

Hanya untuk memperjelas, ini adalah waktu munculnya sinyal Anda yang paling penting dalam situasi ini, bukan frekuensi Anda menghasilkan tepian. Dalam dunia yang ideal, Anda akan selalu memiliki driver yang memiliki tingkat tepi yang masuk akal untuk frekuensi yang Anda coba transmisikan, tapi itu sering tidak terjadi saat ini, dan jika driver Anda naik waktu singkat, maka Anda perlu memikirkan dering. Pada jalur data, ini mungkin tidak masalah (selain EMI), karena semuanya akan berhenti sebelum jam tepi berikutnya, tetapi pada jam itu mungkin bencana dua kali lipat, bahkan jika itu bencana yang hanya terjadi satu juta kali sedetik.

Howard Johnson menganggap Anda harus melakukan simulasi lebih lama dari 1/6 dari waktu kenaikan untuk melihat apakah Anda perlu pemutusan hubungan kerja. Pada 1ns naik waktu itu 150ps, yaitu sekitar satu inci. Orang lain mengatakan hal-hal seperti 2 inci per nanodetik dari waktu naik adalah panjang kritis untuk membutuhkan penghentian.

1

Sementara refleksi dalam saluran transmisi memang terjadi, untuk panjang jejak PCB (10 cm atau lebih), refleksi hanya akan berlangsung selama puluhan picoseconds, dan perangkat keras yang beroperasi pada 1-10 MHz tidak akan pernah melihat gangguan cepat seperti itu.

— Dmitry Grigoryev

1

Apa derivasi Anda dari 'puluhan picosecond'? RTT lebih dari 10cm dari PCB lebih seperti 1ns, tentunya?

OK, dua kali 10cm dibagi dengan kecepatan cahaya akan menjadi 0,6 ns, jadi perkiraan saya jauh. Namun, 1ns tidak terlihat dalam sistem clock pada 1-10 MHz.

— Dmitry Grigoryev

3

harus menggerakkan sinyal lebih keras

Cara sebaliknya: kekuatan drive dari output digital adalah kuantitas tetap (*) berdasarkan ukuran transistor outputnya. Jika Anda memiliki terlalu banyak kekuatan drive, Anda mendapatkan pulsa arus pendek yang besar. Sebuah resistor mengubahnya menjadi pulsa yang lebih panjang dan rata. (Saya pikir area di bawah denyut nadi pada grafik saat ini adalah konstan, tapi saya belum melakukan matematika).

Semakin tajam pulsa Anda saat ini, semakin Anda harus mempertimbangkan sistem sebagai saluran transmisi. Kemudian resistor muncul sebagai sumber terminasi resistor.

(*) Anda bisa mendapatkan beberapa perangkat dengan kekuatan drive yang dapat dipindahtangankan, tetapi itu berarti mereka memiliki beberapa transistor keluaran per pin.

— pjc50
sumber