Elettronica per le telecomunicazioni...

Elettronica per le telecomunicazioni 26/04/2004

Lezione B1 - DDC 2003 1

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Elettronica per l’informatica

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Contenuto dell’unità B

Interconnessioniinterfacciamento statico e dinamico

Integrità di segnaleanalisi di interconnessioni, driver e receiver

Diafoniaaccoppiamenti induttivi e capacitivi, maglie comuniDistribuzione di masse e alimentazioni

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Elettronica per l'informatica Integrità dei segnali

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© 2004 Politecnico di Torino 1



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Lezione B2

Integrità di segnalimetodi di analisiterminazionicommutazione su onda incidente effetti del carico capacitivo

Riferimenti nel testoDispositivi reali 5.2.5Driver a onda incidente 5.2.6Esempi 5.2.7, 8, 9

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Indice della lezione B2

Integrità di segnali

analisi con diagramma a traliccio

commutazione su onda incidente (IWS)

commutazione su onda riflessa

modelli di driver e receiver

circuiti per terminazioni

effetto dello skew

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Tensione sulla linea

Il gradino di tensione impresso dal driver simuove dal generatore verso la terminazione, l’onda riflessa in senso opposto, e le eventualiriflessioni successive in direzioni alterne

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Il gradino di tensione impresso dal driver simuove dal generatore verso la terminazione, l’onda riflessa in senso opposto, e le eventualiriflessioni successive in direzioni alterne

Andamento del segnale nel tempoin un qualsiasi punto della linea

la tensione varia nel momento in cui transitano ilgradino iniziale e le successive riflessioni

il segnale si ottiene sommando via via i contributi di onda incidente e onda riflessa

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Nel diagramma a traliccio:in orizzontale: posizioni lungo la lineain verticale: tempo

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Un’onda che si propaga è rappresentata dauna linea obliqua

Il tempo richiesto per spostarsi da driver a terminazione è tP

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Il tempo richiesto per spostarsi da driver a terminazione è tPSu ogni discontinuità si genera un’onda riflessa

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Il tempo richiesto per spostarsi da driver a terminazione è tPSu ogni discontinuità si genera un’onda riflessaIn ogni punto la tensione varia nel momento in cui transitano il gradino iniziale e le varieriflessioni

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Andamento complessivo di VB e VC

Andamento delle tensioni lato driver e latoterminazione

Γ positivo da entrambi i lati

onde riflessetutte con lo stesso segno

gradinatamonotona

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Vista x,t della tensione su una linea

Andamento nel tempo e lungo la linea della tensione

Riflessioni conΓ positivo

(i colori indicano la tensione)

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Vista x,t del segnale su una linea

Simulatore di linea di trasmissione

Eseguibile Matlab (non richiede installazione)

Viste della tensione su una linea V(x,t) e V(t) in varie condizioni di funzionamento

Reperibile nel testo e nel sito web Politecnico

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effetto dello skew

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Casi particolari di ΓT

ΓT = (RT - Z∞)/(RT + Z∞)

Casi particolari significativi:RT = Z∞ ; ΓT = 0; linea adattata:

nessuna riflessione

RT = ∞ ; ΓT = 1; linea aperta: onda riflessa uguale all’onda incidente

RT = 0 ; ΓT = -1; linea in corto circuito: onda riflessa di uguale ampiezza e segno opposto

RT > Z∞ : Γ positivo, gradinata monotona

RT < Z∞ : Γ negativo, gradinata oscillante

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Esempi

Linea adattata alla terminazione

Linea adattata alla terminazione, driver con bassa Ro (IWS)

Linea aperta alla terminazione

Linea aperta alla terminazione, adattata lato driver

Linea aperta alla terminazione, driver a bassa Ro

Terminazione serie

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Linea terminata su Z∞

Linea adattata alla terminazionenessuna riflessioneper qualunque driver, solo onda incidente

Il livello VB(0) del gradino dipende da RO e Z∞per RO = Z∞ gradino ½ alimentazione

il primo gradino è anche la tensione di regimeVB(0) = VB(∞)

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Linea terminata pilotata da un estremo

R O

VA

BZ∞, tP

VB VC

C

Γ = 0v” = 0v’

v”

RO > Z∞VB

t

t

VC

tP

2tP 4t P

3tP

VH

RT = Z0

vista (x,t)

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Linea terminata su Z∞

Linea adattata alla terminazionenessuna riflessioneper qualunque driver, solo onda incidente

Il livello VB(0) del gradino dipende da RO e Z∞per RO = Z∞ gradino ½ alimentazione

il primo gradino è anche la tensione di regimeVB(0) = VB(∞)

Quando viene riconosciuto il cambio di stato?VB deve superare VT

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Commutazione su onda incidente

Se RO > Z∞ VB(0) < ½ alimentazionela soglia non viene mai attraversatail sistema non permette di trasferire informazione

Se RO < Z∞, il gradino iniziale VB(0) è più ampioSe VB(0) > VIH la soglia viene superata con l’onda incidente (non occorre attendere le riflessioni)

IWS (Incident Wave Switching)

tTXmax = tP; tTXmedio = tP/2; skew tK = tP

massima velocità operativa

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Commutazione sull’onda incidente

R O

VA

BZ∞, tP

VB VC

C

K = 1v” = 0v’

v”

RO < Z∞VB

t

t

VC

tP

2tP 4t P

3tP

VH

RT = Z∞

VT

tTX = 0

tTX = tP

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effetto dello skew

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Linea aperta alla terminazione

Γ terminazione = 1onda riflessa eguale all’onda incidente

Ro > Z∞primo gradino inferiore a ½ VddΓ driver positivotutte le onde riflesse hanno la stessa polarità:

gradinata monotona

VT viene attraversata dopo alcune riflessionitTX = K tP

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Linea aperta pilotata da un estremo

R O

VA

BZ∞, tP

VB VC

C

Γ = 1v” = v’v’

v”

RO > Z∞VB

t

t

VC

tP

2tP 4t P

3t P

RT = Z∞

VT

VT

vista (x,t)

tTX = 4 tP

tTX = 3 tP

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Andamento complessivo di VB e VC

Tensioni lato driver e lato terminazione

Γ positivo da entrambi i lati

onde riflessetutte con lo stesso segno

gradinatamonotona

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Linea aperta, adattata lato driver

Linea aperta all’estremo remoto e terminata suZ∞ lato driver:

nessuna riflessione sul driver

una sola riflessione alla terminazione.

Il sistema va a regime dopo 2 tP

La commutazione avviene con la prima ondariflessa

tTXmedio = tP ; skew tK = 2 tP

Consumo statico nullo

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Commutazione su prima onda riflessa

RO

VA

BZ∞ , tP

VB VC

CΓ = 1v’ = v”

v’

v”

RO = Z∞VB

t

t

VC

tP

2tP 4t P

3t P

vista (x,t)

tTX = 2 tP

tTX = tP

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Driver a bassa Ro

Con Ro < Z∞ :

Linea terminata:nessuna riflessione (ΓT = 0)operazioni IWS forte consumo statico per la corrente in RT

Linea aperta:onda riflessa all’estremo aperto (ΓT = 1)onda riflessa con inversione al driver (ΓD < 0):

oscillazionipossibili attraversamenti multipli della soglia

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Linea aperta pilotata a bassa Ro

Con Ro < Z∞ le riflessioni lato driver causanooscillazioni

RO

VA

B Z∞, tP

VB VC

C

G < 0

tP 2t P 4t P3t P

v”

v”’RO < Z∞

VC

t

VT

vista (x,t)

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Terminazione serie

Per smorzare le oscillazioni senza accrescere ilconsumo:

TERMINAZIONE SERIERS + RO = Z∞

Situazione identica alla terminazione lato driverIl sistema va a regime dopo 2 tP

La commutazione avviene con il primo gradino o con la prima onda riflessa

tTXmedio = tP ; skew tK = 2 tP

Consumo statico nullo

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Terminazione serie

VB

t

t

VC

tP

2t P 4t P3t P

RO

VA

B Z∞, tP

VB VC

C

v”

v”’

RS

v”

v’

ΓT = 1

ΓD = 0

Z∞

tTX = 2 tP

tTX = tP

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effetto dello skew

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Quale modello?

Fronti ripidimodelloa linea ditrasmissione

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Quale modello?

Fronti ripidimodelloa linea ditrasmissione

Fronti lentimodello aparametriconcentrati(R, L, C)

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Fino ad ora vari modelli di interconnessione

Driver, receiver, carichi sempre lineariDriver: Ro, resistenza di uscita del driverReceiver: Ri, resistenza equivalente di ingresso

Ci, capacità equivalente di ingresso

Modello lineare RC

RO

RI

INTERCONNESSIONE

VAVB

VC

B C

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Dispositivi: modelli lineari

DriverRo: resistenza di uscita del drivertr/tf: tempo di salita e discesa

ReceiverRi: resistenza equivalente di ingressoCi: capacità equivalente di ingresso

Carichi qualsiasi (anche driver disabilitati):Cp: capacità equivalenteZe: (imp. equivalente) per analisi più precisa.

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Caratteristiche reali

I dispositivi reali hanno caratteristiche I,V nonlineari

driver lineare

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Caratteristiche reali

I dispositivi reali hanno caratteristiche I,V nonlineari

driver lineare driver reale

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Metodi di analisi

Dispositivi linearidiagrammi a traliccio

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Metodi di analisi

Dispositivi linearidiagrammi a traliccio

Dispositivi non lineari

diagrammi di Bergeron

simulatorigenerali: SPICEspecializzati

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effetto dello skew

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Corrente nelle terminazioni

RT = Z∞ : linea adattata, nessuna riflessione

terminazione: carico statico per il driver:RT = 70 Ω, VH = 3,5 V, IT = 50 mA

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Corrente nelle terminazioni

RT = Z∞ : linea adattata, nessuna riflessione

terminazione: carico statico per il driver:RT = 70 Ω, VH = 3,5 V, IT = 50 mA

le terminazioni determinano un forte assorbimento di corrente, anche in condizionistatiche

per pilotare le terminazioni, il driver deve avereelevate correnti di uscita (IO L, IOH)

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Circuiti per terminazioni

Le terminazioni hanno un forte consumo statico

Circuiti per ridurre il consumo (statico)

collegamento a una tensione intermedia VT

partitore , regolatore source/sink

condensatore in serieelimina la dissipazione staticasposta il valor medio del segnale

terminazione su buffersolo consumo dinamico

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Linea pilotata da un punto intermedio

Il generatore collegato in un punto intermediovede un carico Z∞ /2

non è possibile utilizzare terminazione serie

Per evitare riflessioni la linea deve essereterminata ad entrambi gli estremi con RT = Z∞

VT

RT

VT

Z∞/2

Z∞RTZ∞

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Quando usare erminazione serie

Linee pilotate da un punto intermediocarico Z∞ /2il punto di giunzione con il driver ha sempreimpedenza < Z∞ (Z∞ // RO driver)non è possibile adattare lato driver

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Vantaggi della terminazione serieconsumo

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Vantaggi della terminazione serieconsumo

Limiti della terminazione serieimpossibile per pilotaggio da punto intermedio

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Effetto dei carichi

Gli ingressi CMOS sono carichi capacitiviaumenta la capacità unitaria Cu

abbassa l’impedenza caratteristica Z∞diminuisce il livello del primo gradinorichiede terminazioni più basse (maggiore consumo )

rallenta la velocità di propagazione Uaumentano tempo di trasmissione (tTX) e skew (tK)

È opportuno limitare il carico capacitivocomponenti SMD, piste brevibuffer separatori

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55

Collegamenti a bus

Non caricare le linee esterne con i circuiti interni

non corretto

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Collegamenti a bus

Non caricare le linee esterne con i circuiti interni buffer e transceiver di separazione

transceiver

non corretto corretto

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effetto dello skew

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Skew

Il tempo di trasmissione dipende da:caratteristiche del driver (tensioni e corrente di uscita)caratteristiche dell’interconnessione (impedenza, velocità di propagazione, carichi, perdite )caratteristiche del receiver (correnti, soglie)

i parametri variano da un sistema all’altro e dipendono dalle condizioni operative (alimentazioni, temperatura,...)

Le variazioni determinano lo skew

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Tempo di trasmissione e skew

0,1 A

A(R)

0,1

DRIVER RECEIVERZ∞, tpd

tTX

tK

tTX = tempo di trasmissione

tK = SKEW

VB VC

B

A(D)

A(R)

A(D)

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Effetti dello skew

Lo skew modifica le relazioni temporali tra i segnali

Il tempo di setup al ricevitore è pari a quello del driver diminuito dello skewtsu(R) = tsu(D ) - tK

A(D)

B(D)

A(R)

B(R)

tTX

tK

tsu(R)

tsu(D)segnalial driver

segnali al receiver

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Protocolli a livello ciclo

modello di interconnessione

Servizio offerto dal livello elettrico:spostamento di variabili logiche (bit)con ritardo e skew

Lo skew modifica i tempi di set-up e di holdpuò causare malfunzionamenti nei registri

Scopo dei protocolli livello ciclo è garantire ilcorretto trasferimento delle informazioni anche in presenza delle alterazioni temporali dovute alloskew

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Verifica lezione B2

Come ridurre il consumo delle terminazioni?

Cosa vuol dire IWS?

Quale terminazione bisogna utilizzare per collegamenti a bus?

Come possiamo determinare l’andamento neltempo del segnale, in un punto qualsiasidell’interconnessione?

Quanto è il tempo di trasmissione per una lineaaperta, adattata al lato driver?

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Sommario lezione B2

Integrità di segnalianalisi con diagramma a tralicciorassegna di casi fondamentaliterminazionicommutazione su onda incidente (IWS)

commutazione sulle riflessionieffetti del carico capacitivo

Esercizio B2.1: Driver IWS

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Prossima lezione (B3)

Diafonia Modello per diafonia per accoppiamenti L e CParametri coinvoltiCome limitare la diafonia

Distribuzione dell’alimentazioneModello per ground bounce

Riferimenti nel testoDiafonia 5.2.10Rumore su massa e alimentazioni 5.S2

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