¿Por qué es bueno ralentizar las líneas digitales con resistencias?

He oído que a veces se recomienda "ralentizar" una línea digital colocando una resistencia, digamos una resistencia de 100 ohmios entre la salida de un chip y la entrada de otro chip (asuma la lógica CMOS estándar; asuma el la velocidad de señalización es bastante lenta, digamos 1-10 MHz). Los beneficios descritos incluyen EMI reducida, diafonía entre líneas reducida y rebotes de tierra reducidos o caídas de voltaje de suministro.

Lo desconcertante de esto es que la cantidad total de energía utilizada para cambiar la entrada parecería ser un poco más alta si hay una resistencia. La entrada del chip que se maneja es equivalente a algo así como un condensador de 3-5 pF (más o menos), y cargar eso a través de una resistencia toma la energía almacenada en la capacitancia de entrada (5 pF * (3 V) ² ) y la energía disipada en la resistencia durante la conmutación (digamos 10 NS * (3 V) ² /100 ohm). Un cálculo de fondo muestra que la energía disipada en la resistencia es un orden de magnitud mayor que la energía almacenada en la capacitancia de entrada. ¿Cómo tener que conducir una señal mucho más fuerte reduce el ruido?

Piense en una conexión de PCB (o cable) entre una salida y una entrada. Básicamente es una antena o radiador. Agregar una resistencia en serie limitará la corriente máxima cuando la salida cambia de estado, lo que provoca una reducción en el campo magnético transitorio generado y, por lo tanto, tenderá a reducir el acoplamiento a otras partes del circuito o al mundo exterior.

FEM inducida no deseada = $-N\dfrac{d\Phi}{dt}$

"N" es uno (giro) en el caso de interferencia simple entre (digamos) dos pistas de PCB.

El flujo ( ) es directamente proporcional a la corriente y, por lo tanto, agregar una resistencia mejora las cosas en dos puntos; en primer lugar, la corriente máxima (y, por lo tanto, el flujo máximo) se reduce y, en segundo lugar, la resistencia reduce la velocidad de cambio de corriente (y, por lo tanto, la velocidad de cambio de flujo) y claramente esto tiene un resultado directo sobre la magnitud de cualquier inducido emf porque emf es proporcional a la tasa de cambio de flujo.$\Phi$

Luego, considere el tiempo de aumento del voltaje en la línea cuando se aumenta la resistencia: el tiempo de aumento se alargará y esto significa que se reducirá el acoplamiento del campo eléctrico a otros circuitos. Esto se debe a la capacitancia parásita entre circuitos (recordando que Q = CV): -

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

Si la tasa de cambio de voltaje disminuye, entonces el efecto de la corriente inyectada en otros circuitos (a través de la capacitancia parásita) también disminuye.

En cuanto al argumento de la energía en su pregunta, dado que el circuito de salida inevitablemente tiene cierta resistencia de salida, si hizo los cálculos y calculó la potencia disipada en esta resistencia cada vez que se cargó o descargó la capacitancia de entrada, descubriría que esta potencia no t cambia incluso si el valor de la resistencia cambia. Sé que no suena intuitivo, pero hemos discutido este argumento antes e intentaré encontrar la pregunta y vincularla porque es interesante.

Pruebe esta pregunta: es una de las pocas que cubre el tema de cómo se pierde energía al cargar los condensadores. Hay uno más reciente que intentaré encontrar.

Aqui esta.

El término correcto para esta función de "desaceleración" es velocidad de respuesta . Agregar una resistencia reduce la velocidad de rotación al formar un filtro RC de paso bajo con la capacitancia de entrada. Puede ver el efecto de tales resistencias en el siguiente oscilograma (la curva verde con una velocidad de respuesta más alta produce mucho más ruido):

El aumento de consumo de energía que mencionas no es real. Se necesita la misma cantidad de energía para cargar un condensador, independientemente de qué tan rápido lo esté cargando. La introducción de la resistencia solo hizo visible esta pérdida de energía, mientras que sin la resistencia la misma energía se disipa por las compuertas de salida CMOS.

Es una simplificación excesiva pensar que la resistencia está 'ralentizando' la línea, porque eso no es realmente para lo que está allí, al menos en señalización de alta velocidad, y parece implicar que reduciría o eliminaría la resistencia si quisiera vaya más rápido.

De hecho, es la terminación en serie de la línea de transmisión que representa la pista. Como tal, su valor, más la impedancia de salida del controlador, debe ser igual a la impedancia característica de la pista.

Cuando su conductor lanza un borde hacia abajo de la línea a través de la resistencia, viaja hasta el extremo más alejado a la mitad del voltaje final (porque hay un divisor potencial formado por la impedancia de la fuente y la impedancia de la pista), y luego se refleja en la apertura- circuito representado en el extremo lejano, que duplica su voltaje al nivel completo. La reflexión viaja de regreso a la fuente, en cuyo punto la resistencia de la fuente la termina (a través de la baja impedancia de los controladores de salida).

Por lo tanto, el extremo lejano tiene un borde limpio y agradable, que puede usar de manera segura un retraso de propagación después de que se envió (es decir, lo antes posible), y no hay un conjunto de reflexiones que se mueven hacia atrás y hacia adelante para múltiples tiempos de ida y vuelta, que provoca EMI / diafonía y retrasos.

La desventaja es que si miras a la mitad de la línea, verás una forma de onda escalonada divertida, lo que significa que no siempre es una técnica adecuada para enlaces multipunto. (Ciertamente no relojes multipunto)

Actualizar:

Solo para aclarar, lo que más importa en estas situaciones es el tiempo de subida de su señal, no la frecuencia con la que genera bordes. En un mundo ideal, siempre tendrías controladores que tenían velocidades de borde sensibles a la frecuencia que intentabas transmitir, pero ese no es el caso hoy en día, y si el tiempo de subida de tu controlador es corto, entonces debes pensar zumbido. En una línea de datos, esto podría no importar (aparte de EMI), porque todo se habrá detenido antes del siguiente borde del reloj, pero en un reloj podría ser un desastre de doble reloj, incluso si es un desastre que ocurre solo un millón veces por segundo.

Howard Johnson reconoce que debería simular algo más de 1/6 del tiempo de subida para ver si necesita una terminación. En 1ns, el tiempo de subida es de 150ps, que es aproximadamente una pulgada. Otras personas dicen que cosas como 2 pulgadas por nanosegundo de tiempo de subida es la longitud crítica para necesitar terminación.

tener que conducir una señal mucho más fuerte

Al revés: la fuerza de accionamiento de una salida digital es una cantidad fija (*) basada en el tamaño de sus transistores de salida. Si tiene demasiada fuerza de accionamiento, obtiene un pulso de corriente grande y corto. Una resistencia lo convierte en un pulso más largo y plano. (Creo que el área bajo el pulso en el gráfico de tiempo actual es constante, pero no he hecho los cálculos).

Cuanto más agudo sea su pulso actual, más tendrá que considerar el sistema como una línea de transmisión. Entonces la resistencia aparece como una resistencia de terminación de fuente.

(*) Puede obtener algunos dispositivos con fuerza de accionamiento conmutable, pero eso solo significa que tienen múltiples transistores de salida por pin.