.Λιούπης. Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 1

Transcript

1 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος.Λιούπης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 1

2 Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος Θόρυβος και ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές Μοντέρνα ψηφιακά κυκλώµατα Υψηλές Ταχύτητες Συχνότητα Λειτουργίας >30MHz (φαινόµενα RF) Απαιτούν προσεκτική σχεδίαση Μετάδοση σήµατος µεταξύ ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µεταξύ συστηµάτων Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 2

3 Βασικά Θέµατα Θόρυβος αλλαγής κατάστασης Γραµµές µετάδοσης ανακλάσεις Οδήγηση διασυνδετικών διαύλων Αλληλεπίδραση (crosstalk) ιαφορική Μετάδοση Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 3

4 Αλλαγή κατάστασης εξόδου Αιχµή ρεύµατος totem-pole V + Vin Vin Vout I S I S GND Αιχµή ρεύµατος totem-pole κατά την αλλαγή κατάστασης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 4

5 Οδήγηση φορτίων Ρεύµα φόρτισης/εκφόρτισης χωρητικοτήτων εξόδου V + V + Vin Vout I CH Vin Vout C L C L I CL GND GND (α) (β) Ροή ρεύµατος από/προς φορτίο Εξαρτάται από λογικές στάθµες, ταχύτητα µεταβολής Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 5

6 Αναπήδηση Γείωσης Αναπήδηση γείωσης V CC Παρασιτικές αυτεπαγωγές στο ολοκληρωµένο κύκλωµα V out στους αγωγούς του PCB C L Αναπήδηση γείωσης >1V GND L PCB L CHIP εσωτερική στάθµη GND 0V αντίστοιχα για Vcc Κατά την ταυτόχρονη αλλαγή πολλών εξόδων Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 6

7 Αναπήδηση γείωσης V CC Vin Σφάλµατα λόγω αναπήδησης γείωσης V CC Vin = HIGH V IH (min)! Προκαλούµενα προβλήµατα Λανθασµένες τιµές εισόδου A B V T V IL (max) Vin = LOW! Τάση κατωφλίου: γείωση ως αναφορά (µετατόπιση) α) Λανθασµένη ανάγνωση εισόδων Μετατόπιση σταθµών εξόδου A V CC Vin V CC B Vin = HIGH V IH (min) V T V IL (max)!! Εξοδοι συνδέονται µε GND ή Vcc (ακολουθούν τις τάσεις αναφοράς) Vin = LOW β) Μετατόπιση στάθµης εξόδων Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 7

8 Αντιµετώπιση Στο ολοκληρωµένο κύκλωµα: Συσκευασίες µεχαµηλή παρασιτική αυτεπαγωγή Περισσότεροι ακροδέκτες γείωσης και τροφοδοσίας Περιορισµός ρεύµατος βαθµίδων εξόδου έλεγχος ταχύτητας αλλαγής Στο τυπωµένο κύκλωµα: Μείωση παρασιτικών αυτεπαγωγών αγωγών τροφοδοσίας και γείωσης επίπεδα γείωσης πυκνωτές αποσύζευξης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 8

9 Αλληλεπίδραση σηµάτων (crosstalk) Αλληλεπίδραση σηµάτων (crosstalk) A Β Γ S C + S L S C - S L Παρασιτική χωρητική και επαγωγική σύζευξη Κατά τη διάρκεια αλλαγής στάθµης Αυξάνεται ανάλογα µε τη συχνότητα του σήµατος Αυξάνεται όσο η απόσταση µεταξύ των αγωγών µειώνεται Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 9

10 Αντιµετώπιση crosstalk Αύξηση της απόστασης µεταξύ των αγωγών απαιτείται µεγαλύτερη επιφάνεια Μείωση απόστασης από επίπεδο γείωσης µείωση σύνθετης αντίστασης (εµπέδησης) αγωγού Θωράκιση αγωγών µεγραµµές ή επίπεδα γείωσης Τερµατισµός αγωγών για ελαχιστοποίηση ανακλάσεων Ελεγχος ρυθµού ανόδου/καθόδου σήµατος Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 10

11 Γραµµές µετάδοσης Μοντέλο γραµµής µετάδοσης πηγή γραµµή µετάδοσης φορτίο L Ο C Ο Στις συχνότητες λειτουργίας ψηφιακών κυκλωµάτων: Χωρητικότητα C O (pf/cm) Αυτεπαγωγή L O (nh/cm) Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 11

12 Γραµµές µετάδοσης Χαρακτηριστικά µεγέθη: Ταχύτητα διάδοσης v P Εξαρτάται από διηλεκτρικό υλικό Ποσοστό της ταχύτητας του φωτός Για συνήθεις αγωγούς: 0.55c 0.85c Χαρακτηριστική αντίσταση (εµπέδηση) Z O Εξαρτάται από γεωµετρία και υλικό γραµµής 50Ω 100Ω Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 12

13 Ανακλάσεις σε γραµµές µετάδοσης Οπου υπάρχει αλλαγή ή ασυνέχεια στην Z O Συντελεστής ανάκλασης: ρ = R - Z O R + Z O Αλλαγή από Ζ Ο σε R Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 13

14 Τερµατισµός γραµµών µετάδοσης Ταίριασµα µε χαρακτηριστική Ζ Ο Απορρόφηση ενέργειας Εξάλειψη ανακλάσεων Μέγιστο µήκος ατερµάτιστης γραµµής Εξαρτάται από ταχύτητα διάδοσης και χρόνους ανόδου/καθόδου σήµατος (λογική οικογένεια) Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 14

15 Μέθοδοι Τερµατισµού Τερµατισµός στην πλευρά του φορτίου (1) (α) Z O R T V + (β) Z O R A R B Στην πλευρά του φορτίου Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 15

16 Μέθοδοι Τερµατισµού Τερµατισµός στην πλευρά του φορτίου (2) (α) Z O R C V + (β) Z O Στην πλευρά του φορτίου (α) Μείωση κατανάλωσης (β) Ανεξάρτητα από Ζ Ο Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 16

17 Μέθοδοι Τερµατισµού Τερµατισµός στην πλευρά της πηγής του σήµατος V A R S Z O, t PD R O A B V B t 0 t PD 2t PD Στην πλευρά της πηγής του σήµατος Ηχαµηλότερη κατανάλωση ισχύος Το φορτίο πρέπει να βρίσκεται στο τέλος της γραµµής Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 17

18 Οδήγηση διαύλων ίαυλοι διασύνδεσης υποσυστηµάτων κύκλωµα αποµόνωσης (transceiver) πλακέτα βάσης (backplane) εσωτερικά λογικά κυκλώµατα πλακέτα υποσυστήµατος υποδοχή διασύνδεσης (connector) Τυπική σύνθεση συστήµατος Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 18

19 Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά ιαύλου Μετάδοση σήµατος σε δίαυλο δεδοµένων Z O, t P C L Σύνδεση µεταβλητού αριθµού φορτίων, σε διάφορες θέσεις Πρόσθετη χωρητικότητα ανά φορτίο (~10pF) Κατανεµηµένη χωρητικότητα C D : χωρητικότητα φορτίων ανά µήκος αγωγού. Σύνθετη αντίσταση γραµµής διαύλου Z O (eff): µειώνεται, όσο αυξάνεται το C D. Απαιτείται µεγαλύτερη ικανότητα οδήγησης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 19

20 Τερµατισµός γραµµών διαύλων Στα δύο άκρα Σύνδεση σε Vcc για βαθµίδες open-collector Οι αντιστάσεις τερµατισµού λειτουργούν και ως pull-up. Πρωτεύον µέτωπο σήµατος Η πρώτη τάση στην έξοδο του κυκλώµατος οδήγησης. Εξαρτάται: από σύνθετη αντίσταση R O βαθµίδας εξόδου από Z O (eff) γραµµής Αλλαγή στο πρωτεύον µέτωπο τάσης (incident wave switching) Πιο γρήγορα, αλλά απαιτείται περισσότερη ενέργεια Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 20

21 Λογικές οικογένειες διασύνδεσης (bus interface logic) Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά: Ελάχιστη καθυστέρηση διάδοσης Αυξηµένη οδηγητική ικανότητα ιατάξεις ελέγχου ρυθµού ανόδου/καθόδου σήµατος Μικρή χωρητικότητα εισόδου/εξόδου Χαµηλή κατανάλωση Για µέγιστη ταχύτητα: µείωση λογικών σταθµών ιασύνδεση µε ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε διάφορες τιµές Vcc (από 5V έως <2V) υνατότητα προσθήκης/αφαίρεσης κατά τη λειτουργία Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 21

22 ιαφορική µετάδοση σήµατος Βασικές αρχές διαφορικής µετάδοσης σήµατος V OA κύκλωµα διαφορικής οδήγησης V OB κύκλωµα διαφορικής λήψης V OB V OA -V OB = 0V V OA -V OB = V TL V OA -V OB = V TH V OA V TH V TL V OD = V OA -V OB Σήµα στη θετική και στη συµπληρωµατική µορφή Απαιτούνται δύο αγωγοί ανά σήµα ιαφορικά κυκλώµατα οδήγησης και λήψης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 22

23 Τεχνολογίες µετάδοσης Τεχνολογίες µετάδοσης ψηφιακού σήµατος Ρυθµός Μετάδοσης (Mbps) Μήκος Αγωγού (m) Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ακεραιότητα Ψηφιακού Σήµατος 23