Por que é bom desacelerar as linhas digitais com resistores?

Ouvi dizer que às vezes é recomendável "desacelerar" uma linha digital, colocando um resistor nela, digamos, um resistor de 100 ohms entre a saída de um chip e a entrada de outro chip (assuma a lógica CMOS padrão; assuma o taxa de sinalização é bem lenta, digamos de 1 a 10 MHz). Os benefícios descritos incluem EMI reduzido, diafonia reduzida entre linhas e quedas de retorno à terra ou quedas de tensão de alimentação.

O que é intrigante é que a quantidade total de energia usada para alternar a entrada pareceria um pouco maior se houver um resistor. A entrada do chip acionado é equivalente a algo como um capacitor de 3-5 pF (mais ou menos), e o carregamento através de um resistor leva a energia armazenada na capacitância de entrada (5 pF * (3 V) ² ) e a energia dissipada no resistor durante a comutação (digamos 10 ns * (3 V) ² /100 ohm). Um cálculo de volta ao envelope mostra que a energia dissipada no resistor é uma ordem de magnitude maior que a energia armazenada na capacitância de entrada. Como ter que dirigir um sinal com muito mais força reduz o ruído?

Pense em uma conexão PCB (ou fio) entre uma saída e uma entrada. É basicamente uma antena ou radiador. A adição de um resistor em série limitará o pico de corrente quando a saída mudar de estado - isso causa uma redução no campo magnético transitório gerado e, portanto, tende a reduzir o acoplamento a outras partes do circuito ou ao mundo externo.

Fem induzida indesejada = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" é um (turno) no caso de simples interferência entre (digamos) duas faixas de PCB.

O fluxo ( ) é diretamente proporcional à corrente e, portanto, adicionar um resistor melhora as coisas em duas contagens; em primeiro lugar, a corrente de pico (e, portanto, o fluxo de pico) é reduzida e, em segundo lugar, o resistor diminui a taxa de variação da corrente (e, portanto, a taxa de variação do fluxo) e claramente isso tem um resultado direto na magnitude de qualquer indução fem porque fem é proporcional à taxa de variação do fluxo.$\Phi$

Em seguida, considere o tempo de subida da tensão na linha quando a resistência for aumentada - o tempo de subida será maior e isso significa que o acoplamento do campo elétrico a outros circuitos será reduzido. Isso se deve à capacitância dispersa entre circuitos (lembrando que Q = CV): -

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

Se a taxa de variação da tensão diminuir, o efeito da corrente injetada em outros circuitos (via capacitância parasitária) também diminui.

Quanto ao argumento de energia em sua pergunta, dado que o circuito de saída inevitavelmente possui alguma resistência de saída, se você fizesse as contas e calculasse a potência dissipada nessa resistência cada vez que a capacitância de entrada fosse carregada ou descarregada, você descobriria que essa potência não é '' t muda mesmo que o valor do resistor tenha mudado. Sei que não parece intuitivo, mas discutimos esse argumento antes e tentarei encontrar a pergunta e vinculá-la porque é interessante.

Tente esta pergunta - é uma das poucas que aborda o assunto de como a energia é perdida ao carregar os capacitores. Há uma mais recente que vou tentar encontrar.

Aqui está.

O termo certo para esse recurso de "desaceleração" é a taxa de variação . A adição de um resistor reduz a taxa de rotação, formando um filtro RC passa-baixo com a capacitância de entrada. Você pode ver o efeito desses resistores no seguinte oscilograma (a curva verde com maior taxa de giro produz muito mais ruído):

O aumento do consumo de energia que você mencionou não é de fato real. É necessária a mesma quantidade de energia para carregar um capacitor, independentemente da velocidade com que você o carrega. A introdução do resistor apenas tornou visível essa perda de energia, enquanto sem o resistor a mesma energia é dissipada pelas portas de saída do CMOS.

É uma simplificação excessiva pensar no resistor como "desacelerando" a linha, porque não é exatamente isso que existe, pelo menos na sinalização de alta velocidade, e parece implicar que você reduziria ou removeria o resistor, se quisesse vá mais rápido.

De fato, é o término em série da linha de transmissão que a faixa representa. Como tal, seu valor, mais a impedância de saída do motorista, deve ser igual à impedância característica da pista.

Quando o motorista lança uma borda na linha através do resistor, ele viaja até a extremidade mais distante na metade da tensão final (porque há um divisor de potencial formado pela impedância da fonte e pela impedância da faixa) e é refletido na abertura circuito representado na extremidade oposta, que dobra sua voltagem para o nível máximo. A reflexão viaja de volta à fonte, quando é finalizada pelo resistor da fonte (através da baixa impedância dos drivers de saída).

Portanto, o extremo oposto obtém uma boa borda limpa, que pode usar com segurança um atraso de propagação após o envio (ou seja, o mais rápido possível), e não há um conjunto de reflexões deslizando para trás e para frente por vários tempos de ida e volta, o que causa EMI / diafonia e atrasos.

A desvantagem é que, se você olhar no meio da linha, verá uma forma de onda escalonada engraçada, o que significa que nem sempre é uma técnica adequada para links multiponto. (Certamente não relógios multiponto)

Atualizar:

Só para esclarecer, é o tempo de subida do seu sinal que mais importa nessas situações, não a frequência com a qual você gera bordas. Em um mundo ideal, você sempre teria drivers com taxas de borda sensíveis à frequência que estava tentando transmitir, mas atualmente não é o caso hoje em dia, e se o tempo de subida do driver for curto, será necessário pensar em toque. Em uma linha de dados, isso pode não ter importância (exceto a EMI), porque tudo terá parado antes do próximo limite do relógio, mas em um relógio pode ser um desastre com relógio duplo, mesmo que seja um desastre que ocorre apenas um milhão vezes por segundo.

Howard Johnson acha que você deve simular algo maior que 1/6 do tempo de subida para ver se precisa de rescisão. Em 1ns, o tempo de subida é de 150ps, ou seja, cerca de uma polegada. Outras pessoas dizem que coisas como 2 polegadas por nanossegundo de tempo de subida é o comprimento crítico para a necessidade de terminação.

ter que dirigir um sinal muito mais difícil

Ao contrário: a força do inversor de uma saída digital é uma quantidade fixa (*) com base no tamanho dos seus transistores de saída. Se você tiver muita força de acionamento, você recebe um grande pulso de corrente curto. Um resistor transforma isso em um pulso mais longo e mais plano. (Acho que a área sob o pulso no gráfico de tempo atual é constante, mas ainda não fiz as contas).

Quanto mais nítido for o seu pulso atual, mais você precisará considerar o sistema como uma linha de transmissão. Então o resistor aparece como um resistor de terminação da fonte.

(*) Você pode obter alguns dispositivos com força de acionamento comutável, mas isso significa que eles têm vários transistores de saída por pino.