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Elettronica per la telematica 23/03/2006
Lezione D2 - DDC 2006 1
1
Elettronica per le telecomunicazioni
Unità D: Elettronica digitale
Lezione D.2Integrità dei segnali
terminazionimetodi di analisicarico capacitivocommutazione IWS
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Elettronica per la Telematica
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Contenuto dell’unità D
Interconnessioniinterfacciamento statico e dinamico
Integrità di segnaleanalisi di interconnessioni, driver e receiver
Diafoniaaccoppiamenti induttivi e capacitivi, maglie comuniDistribuzione di masse e alimentazioni
Dispositivi logici programmabilistruttura e funzioniflusso di progetto
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Lezione D2
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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Elettronica per la Telematica
6
Indice della lezione D2
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
Elettronica per la telematica 23/03/2006
Lezione D2 - DDC 2006 2
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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
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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Tensione sulla linea
Nel diagramma a traliccio:in orizzontale: posizioni lungo la lineain verticale: tempo
Un’onda che si propaga è rappresentata dauna linea obliqua
Il tempo richiesto per spostarsi da driver a terminazione è tPSu ogni discontinuità si genera un’onda riflessa
9
Diagramma a traliccio
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Diagramma a traliccio
t
B Z0, tP C
tP
2tP
3tP
4tP
RT
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Diagramma a traliccio - segnali
t
V2 = ΓT V1V = V1 + V2
V1
B Z0, tP C
V2
V3
V4
tP
2tP
3tP
4tP
RT
V4 = ΓT V3V = V1+V2+V3+V4
V3 = ΓD V2V = V1 + V2 + V3
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Diagramma a traliccio - discontinuità
t
V2 = ΓT V1V = V1 + V2
V1
B Z0, tP C
V2
V3
tP
2tP
RT
V4 = ΓT V3V = V1+V2+V3+V4
V3 = ΓD V2V = V1 + V2 + V3
Discontinuità intermedia(indicate solo le prime riflessioni)
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Tensione sulla linea
Nel diagramma a traliccio:in orizzontale: posizioni lungo la lineain verticale: tempo
Un’onda che si propaga è rappresentata dauna linea obliqua
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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Diagramma a traliccio - punto D
t
V2 = ΓT V1V = V1 + V2
V1
B Z0, tP C
V2
V3
V4
tP
2tP
3tP
RT
V4 = ΓT V3V = V1+V2+V3+V4
D
tD1
tD2
tD3
tD4
Istanti in cui varia la tensione in D
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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 con Γ 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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Elettronica per la Telematica
Elettronica per la telematica 23/03/2006
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Indice della lezione D2
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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Casi particolari di ΓΓΓΓT
ΓΓΓΓT = (RT - Z∞)/(RT + Z∞)
Casi particolari significativi:ΓΓΓΓT = 0; linea adattata: nessuna riflessioneΓΓΓΓT = 1; linea aperta: onda riflessa ugualeall’onda incidenteΓΓΓΓT = -1; linea in corto circuito: onda riflessadi 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 alimentazioneil primo gradino è anche la tensione di regimeVB(0) = VB(∞)
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Linea terminata pilotata da un estremo
RO
VA
B Z∞, tP
VB VC
C
Γ = 0v” = 0v’
v”
RO > Z∞VB
t
t
VC
t P 2t P 4t P3t P
VH
RT = Z0
vista (x,t)
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Vista x/t del segnale su linea terminata
Andamento nel tempo e lungo la linea della tensione
linea adattata (nessuna riflessione)
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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 alimentazioneil 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
RO
VA
B Z∞, tP
VB VC
C
K = 1v” = 0v’
v”
RO < Z∞VB
t
t
VC
t P 2t P 4t P3t P
VH
RT = Z∞
VT
tTX = 0
tTX = tP
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Elettronica per la Telematica
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Indice della lezione D2
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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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
RO
VA
B Z∞, tP
VB VC
C
Γ = 1v” = v’v’
v”
RO > Z∞VB
t
t
VC
t P 2t P 4t P3t P
RT = ∞
VT
VT
vista (x,t)
tTX = 4 tP
tTX = 3 tP32
Linea aperta, driver a bassa corrente
Andamento nel tempo e lungo la linea della tensione
Riflessioni con Γpositivo allaterminazione e al driver
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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 driveruna 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
B Z∞ , tP
VB VC
C Γ = 1v’ = v”
v’
v”
RO = Z∞VB
t
t
VC
t P 2t P 4t P3t P
vista (x,t)
tTX = 2 tP
tTX = tP36
Linea aperta, driver adattato
Andamento nel tempo e lungo la linea della tensione
Γ positivo allaterminazione; nessuna riflessione al driver.
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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
Γ < 0
tP 2tP 4tP3t P
v”
v”’RO < Z∞
VB
tVT
vista (x,t)
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Linea aperta, driver ad alta corrente
Andamento nel tempo e lungo la linea della tensione
linea aperta con driver a bassa Ro(oscillazioni)
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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
t P 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 = tP42
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Indice della lezione D2
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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Quale modello?
Fronti ripidimodelloa linea di trasmissione
Fronti lentimodello aparametriconcentrati(R, L, C)
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Modello lineare RC
RO
RI
INTERCONNESSIONE
VAVB
VC
B C
Fino ad ora vari modelli di interconnessione
Driver, receiver, carichi sempre lineariDriver: Ro, resistenza di uscita del driverReceiver: Ri, resistenza equivalente di ingresso
Ci, capacita' equivalente di ingresso
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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
Dispositivi non lineari
diagrammi di Bergeron
simulatorigenerali: SPICEspecializzati
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Diagramma di bergeron - 1
51
Diagramma di bergeron - 2
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Indice della lezione D2
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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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 (IOL, 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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Circuiti per terminazioni
RT
VT = VCC R2 /(R1 + R2)RT =R1 //R2
VCC
R1
R2
RT
VT
RT
Unica resistenza di valore RT, collegata a una tensione VT (intermedia tra GND e VAL), per ridurre il consumo
Se la tensione VT è ricavata da un partitoreaumenta il consumo; conviene sia fornita daun regolatore con capacità di erogare e assorbire corrente
Una capacità in serie annulla la corrente in condizioni statiche; il valor medio del segnale si sposta a seconda del duty cycle
In condizioni statiche la tensione ai capi di RT è nulla, quindi il circuito consuma solo nelle transizioni.
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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 seriePer 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
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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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 corretto62
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Indice della lezione D2
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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Skew
Il tempo di trasmissione dipende da:caratteristiche del driver (tensioni e corrente di uscita)caratteristiche dell’interconnessione (impedenza, velocita’ 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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Livelli di protocollo
Dove gestire lo skew
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Verifica lezione D2
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 D2
Integrità di segnalianalisi con diagramma a tralicciorassegna di casi fondamentaliterminazionicommutazione su onda incidente (IWS)commutazione sulle riflessionieffetti del carico capacitivo
Esercizio D2.1: Driver IWS
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Prossima lezione (D3)
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