1 Linia Długa Technika Cyfrowa i ImpulsowaErnest Jamro C3-504, tel Katedra Elektroniki Akademia Górniczo-Hutnicza

2 Elementy rozproszone Dla linii bezstratnej pomija się R i GR – 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 DługiejDla linii bezstratnej

6 Prędkość rozchodzeniaDla 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 faliRozwinięcie 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 ustalonymPoczątek linii Koniec linii Napięcie i prąd zachowują się tak jakby linię długą zastąpić zwykłym przewodem

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

14 Przykład cd.

15 Dopasowanie impedancyjneDopasowanie na wejściu Dopasowanie na wyjściu Dopasowanie na wejściu Dopasowanie na wyjściu

16 Obciążenie reaktancyjneZałożenie – 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 długiejZ0= R2 || (R1 + Rg) - warunek dopasowania Rg Rg>Z0: R1= 0 (zwarty) R2||Rg= Z0

18 Czwórnik dopasowującyZ1= R1 + (R2 || Z2) Z2= R2 || (R1 + Z1) Warunek dopasowania Współczynnik tłumienia:

19 Czwórnik rozdzielającyUwaga 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 liniiMoc 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 długiejDla 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 dopasowania Moc dla stanu wysokiej impedancji: P=0WR= 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 How to use Transmission LinesSpecial Case for Balanced Differential Signals Connect shields together “sees” 50 ohms immediately between core and shield + -OUT GND 100 ohms +OUT “sees” 50 ohms immediately between core and shield Balanced = equal and opposite That is for AC components: (+OUT) = -(-OUT)

26 LVDS – gdzie używane: Standardy szeregoweSerial ATA SATA 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)

28 Buforowanie sygnału zegarowego

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

30 How to use Transmission LinesEliminate reflective features larger than 1/10th of a wavelength Avoid impendence changes OK BAD 45 deg 45 deg 1/10th wavelength 1/10th wavelength

31 Kondensator przy zasilaniuPraktycznie 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 równaniaDla 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