Unità D: Elettronica digitale

Elettronica per la telematica 23/03/2006

Lezione D2 - DDC 2006 1

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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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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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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

8


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

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Diagramma a traliccio

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Diagramma a traliccio

t

B Z0, tP C

tP

2tP

3tP

4tP

RT

11

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

12

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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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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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


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

28


29








effetto dello skew

30

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



31

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


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


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)

39

Linea aperta, driver ad alta corrente


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

41

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




43








effetto dello skew

44

Quale modello?

Fronti ripidimodelloa linea di trasmissione

Fronti lentimodello aparametriconcentrati(R, L, C)

45

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.

47

Caratteristiche reali

I dispositivi reali hanno caratteristiche I,V nonlineari

driver lineare

48

Caratteristiche reali

I dispositivi reali hanno caratteristiche I,V nonlineari

driver lineare driver reale



49

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

52


53








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)



55

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.

57

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∞

58

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

60

Collegamenti a bus

Non caricare le linee esterne con i circuiti interni

non corretto



61

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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effetto dello skew

64

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

68

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?

70

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

71

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

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