Ref.1 Reflexiók, áthallások és az ellenük való védekezés A lezáratlan vezeték végekről a jelek visszaverődnek, majd az adó oldalon újra reflexiót szenvednek. Lásd a villamosságtanban tanultakat. 1 A reflexió következtében a kialakuló jelek alakja tüskeszerű, hasonlít a hazárdokra (de nem az!). Fellépésük zavarja a digitális berendezések működését. Védekezés ellenük a reflexiók lecsengésének kivárása, illetve a keletkezésük megakadályozása. A kivárás csak a jelek egy részénél lehetséges - pl. adatsíneknél elvileg járható lenne - és nagymértékben lassítja a működést. Órajelben, vagy a vezérlőjelekben megjelenő reflexió, vagy bármely más okból keletkező zavaró jel, katasztrofális működési hibához vezet. Ref.1.1. Reflexió csökkentése (megakadályozása) A reflexiót - mint közismert - a vezeték hullámimpedanciájának megfelelő lezárással tudjuk kivédeni. Mekkora lezáró ellenállásra van ehhez szükség? A ma használatos NYÁK lemezeken egy vezeték Z o hullám impedanciája 50-200 Ω közötti értékre alakítható ki, általában 90-100 Ω-os impedancia a gyakori érték. A hátlapsínen, a nagy kapacitív terhelés (általában 10-30pF/cm érték) miatt 20-30 Ω körüli értékkel számolhatunk. Ennek megfelelően a távoli véget ekkora R-rel kellene lezárni. A mai CMOS áramkörök bemenő ellenállása 500 kω; 1 MΩ között van, tehát gyakorlatilag szakadásnak tekinthető. A már elavultnak számító bipoláris áramkörök (Normál, LS, S sorozat és fokozatosan az ALS, AS, és a legtovább élő F sorozat is) 4-20 kω közti bemenő ellenállással rendelkeztek, ez is messze van a 100 Ω-tól. Mi történik, ha lezárás céljából a föld és a vonal vége közé bekötünk egy 100 Ω-s ellenállást? Ref.1. ábra IC-k bemenetei Z 0 ~ 100Ω fizikai vég R=Z 0 föld Ref.1. ábra Vezeték lezárása a hullámimpedanciával egyező valós ellenállással. Az ellenálláson legrosszabb esetben 5 V = 50mA áram folyna át. Ekkora áramot csak 100Ω néhány Buffer CMOS képes szolgáltatni. [Emlékeztetőül a bipoláris sorozatok maximális kimenő áramai a H szintnél LS sorozatnál: 400 µa; S sorozatnál: 1 ma, F sorozatnál: 1 ma; esetleg 2mA. A CMOS áramkörök szimmetrikusan egyforma áramterhelhetőségüek, de az általánosan használt típusoknál ez legfeljebb ± 8 ma-t jelent.] Látható tehát, hogy Z o -al, ha az valós R, nem tudjuk a szokásos áramköreinket lezárni, mert nem biztosított a logikai H szinten (de általános esetben L szinten sem) a szükséges meghajtóképesség, és a tartós túlterhelés a kimeneti meghajtó tönkremenéséhez vezet. 1 Egy konkrét eset szimulációját a Ref.8. ábrán mutatjuk be. Nézzen utána a villamosságtanban! Ref.1.1. 1/8
Mit lehet tenni? Az állandósult szint, ahol a legnagyobb áram folyik egyen szint. Itt nincs reflexió, tehát lezárás sem kellene. A problémák a jelátmeneteknél, fel, illetve lefutáskor keletkeznek. A helyzet annál súlyosabb minél meredekebb a jelátmenet, tehát a nagy sebességű sorozatoknál különösen fontos a lezárás. Mivel csak a jelátmenetnél kell (és az áramok miatt szabad) lezárni, ezért R helyett komplex impedanciát használunk. Egy soros C-vel gátoljuk meg a túlterhelést. Ref.2. ábra. IC-k bemenetei fizikai vég R = 82-100 Ω C = 82-330 pf Ref.2. ábra vezeték lezárása komplex impedanciával. (a gyakorlatban használatos értékek megadásával.) C értéke annál kisebb lehet (és kell is, hogy kisebb legyen) minél nagyobb frekvenciájú komponens jelenik meg a jelátmenetben, vagyis minél meredekebb a jelátmenet. - A korszerű sorozatoknál, mint a 3,3 V-s CMOS sorok, pl. LVC, LVT stb. és egyes 5 V-s sínmeghajtóknál, pl. 74AC sorok már belső áramköri megoldással is korlátozzák a kimenő jel meredekségét, vagyis megakadályozzák a gyors áramköröknél, az egységugrást közelítő jelváltást. Ez az Output Edge Control, (OEC) azaz kimeneti él szabályozó áramkör. Földzaj.5. ábra. Tulajdonképpen itt előjön, hogy az ideális áramkörnek, közel 0 késleltetési idővel és áramköri zavar szempontjából még megengedhető minimális jelátmeneti idővel kellene, rendelkeznie. - A második reflexió az adó oldalon lép fel. A nagyáramú digitális IC-k kimenő ellenállása 10 Ω, n 10 Ω, nagyságrendjébe esik. A magas és alacsony szintnél, alapvetően a bipoláris sorozatoknál, a két érték nem egyezik meg, (CMOS-nál többnyire közel azonos) de az alacsony szinthez (ez a kisebb R ki ) méretezett kiegészítő R kielégítő megoldást ad, CMOS-nál pedig szimmetrikusan is azt. A megoldás: a kimenő R ki ellenállást egy sorba kötött r ellenállással, a hullámimpedanciát megközelítő értékre egészítjük ki, és így védjük ki a reflexiót. Ref.3. ábra. r ~ 68-82 Ω távoli vég Ref.3. ábra. Adóoldali illesztés a vezeték hullámimpedanciájához. A soros r, kis terhelő áramnál, még áram terhelési problémát nem okoz, pl. 2 ma terhelő áramnál 2 ma 82 Ω = 160 mv feszültség különbséggel számolhatunk. Ez többnyire még belefér a zajtartalékba. Alacsony szintnél, ha nagyobb a terhelő áram igény, pl. akár csak 8 ma-t, ez az ellenállás, a rajta eső 0,64 V-al már megengedhetetlenül megemeli a nyugalmi alacsony szint értékét. A bemeneti kis áramterhelés ezért is újabb ok a CMOS áramkörök használata mellett. Ref.1.1 2/8
A fentebb bemutatott két fajta lezárás együttesen is alkalmazható. A lezárás hatását a jelalakra a Ref.4. ábrán mutatjuk be. Lezárás nélkül [t] Lezárással Ref.4. ábra. Reflexiót csillapító lezárás hatása a jelalakra. Megjegyzés: A klasszikusan nagysebességű ECL sorozatok 50 Ω-s lezáró ellenállás használatára lettek méretezve. Ennél a megoldásnál, viszont a jelszintek jóval kisebbek, így mérséklik az egyébként nagy értékű teljesítmény disszipációt. Ref.1.2. Lezárások összefoglalása A vezetékeken kialakuló lengés csillapításra többféle megoldás használatos. Ref.5. ábra. Pontpont kapcsolatnál, csak a távoli végen van lezárás. Sín kialakítása esetén mindkét fizikai véget le kell zárni, illetve minden adóhoz be kell építeni a soros illesztő ellenállást. A soros adó oldali lezárás, és a távoli vég lezárása együtt is alkalmazható. - Az adóoldal illesztése hullámimpedanciával megegyező - a vezetékkel, mint tápvonallal sorba kötött - soros ellenállással. - A vezeték távoli végének lezárása a föld felé, a hullámimpedanciával megegyező - a vezetékkel, mint tápvonallal párhuzamosan kötött - ellenállással. Elsősorban nyitott emitteres meghajtás esetén használatos megoldás. - A vezeték távoli végének lezárása a tápellátás felé, a hullámimpedanciával megegyező - a vezetékkel, mint tápvonallal párhuzamosan kötött - ellenállással. Elsősorban nyitott kollektoros meghajtás esetén használatos megoldás. - A vezeték távoli végének lezárása ellenállásosztóval. Az osztó tagjai váltakozó áramú szempontból párhuzamosan kapcsolódva adják a föld felé, a hullámimpedanciával közel megegyező - a vezetékkel, mint tápvonallal párhuzamosan kötött lezáró ellenállást. Az osztó értékei egyúttal kialakítják a magas szint értékét is. - A vezeték távoli végének dinamikus lezárása a föld felé, a hullámimpedanciával megegyező - a vezetékkel, mint tápvonallal párhuzamosan kötött ellenállással, és egyenáramúlag elválasztó soros kondenzátorral. Totem-pool és tri-state meghajtás esetén használható megoldás. - Schottky diódás megfogás - a vezetékkel, mint tápvonallal párhuzamosan kötött a túl, illetve alullendülés energiájának elnyelésével a lengést korlátozó Schottky diódás kapcsolással. A korlátozó Schottky diódák választéka az SN74S105X családban található. A diódák nagy csúcsáramra 200. 300 ma méretezettek. Szerepel a kínálatban csak a föld felé megvalósított diódasor, és középkivezetése föld és táp felé bekötött Sín-lezáró kialakítás is. - Egyes cégek a memória tömböket meghajtó vonalak lezárására a vezeték távoli végére elhelyezett Zener diódás lezárásokat is ajánlanak. [t] Ref.1.1. 3/8
2V V CC V CC Ref.5. ábra. Lezárások szokásos és lehetséges kialakításai Ref.1.1 4/8
Az osztott lezárásoknál használatos ellenállás értékek (a nevezőben a táp felé a számlálóban a föld felé bekötött érték szerepel): 180/220 Ω 220/330 Ω 180/390 Ω 120/180 Ω A bemutatott értékek tokozott formában közös föld és táp lábbal, a közös pontok egyedi kivezetésével kaphatóak. Van forgalomban a soros lezáró tömeges alkalmazását segítő egyik tokoldaltól a másik tokoldalig beépített ellenállás sor is. Ref.2. Áthallás Két párhuzamosan futó vezeték között, a kölcsönös indukció és a kölcsönös kapacitás miatt energia átcsatolás történik. Ennek következtében parazita jelek jelennek meg. di1 du1 U i 2 = L1,2 és I c 2 = C1,2 * dt dt Látható, hogy az indukált feszültség függ a kölcsönös induktivitástól és a jelváltás sebességétől, az indukált áram pedig a kölcsönös kapacitástól és úgyszintén a jelváltás sebességétől. (Az indukált áram átfolyva a kimeneti ellenállásokon, illetve másodlagos csatolással kelt zavaró feszültséget.) Állandósult jeleknél mivel di dt = 0 és du dt = 0, nincs áthallás. Az áthallás csökkentésének módjai: - A jelváltási meredekség csökkentése. Mivel ez alapvetően az alkalmazott technológiai sortól függ, kevés a lehetőségünk. Mindenesetre csak az egyéb szempontok miatt szükséges sebességű áramkört használjunk. A feleslegesen használt gyors működésű áramkör növeli a problémáinkat. Az átkapcsolt jel nagyságának csökkentése, a jelátmeneteknél kisebb feszültségváltozást eredményez, ezért a korszerű irányzatoknál ez a második oka a tápfeszültség csökkentésének. A 3 V-os logikáknál, és egyes korszerűsített meghajtó áramköröknél már az 5 V-os CMOS soroknál is, beépítenek a kimeneti meghajtóba jelváltási sebességet korlátozó kapcsolásokat. Ezt az OEC-vel jelzik (Output Edge Control) Lásd! Földzaj.5. ábra. - Kölcsönös csatolás csökkentése. A párhuzamosan futó jelvezetékeket a lehető legtávolabb helyezzük egymástól. Közéjük földelt vezeték szakaszt tervezünk, illetve több rétegű NYÁK-ot használunk, mely csökkenti a kölcsönös kapacitás nagyságát. Kábeleknél a vezeték sodrása nagymértékben csökkenti a kölcsönös indukciót. A két egymáshoz képest szög alatt hajló vezetékben a teljesen párhuzamosan vezetetthez képest kisebb, egymást csökkentő feszültség indukálódik. Ref.6. ábra. A zajelnyomás legjobban differenciál bemenetű meghajtással és vevővel érhető el. Ekkor ugyanis a zavaró vezeték által indukált közösmódúsú jelek a vevőben kioltják egymás, és csak az ellenmódúsú jelek vétele történik meg. Ref.1.1. 5/8
Zavaró vezeték Zavart vezeték U Z1 Eredõ U Z U Z2 Lezárás Ref.6. ábra Csavart érpáron a zavarójel kioltásának szemléltetése - Elvileg NYÁK-on is megvalósítható ez a módszer, de mivel a furatfémezés, mint helyi induktivitás reflexiós zavart eredményez, ez a megoldás alkalmanként külön megvizsgálandó. - A csavart érpár adja a legjobb védelmet a külső zavarok ellen és biztosítja a külső térbe kibocsátott legkisebb zavarszintet. Különösen így van ez, ha a csavart érpárokból készült kábelt (köteget) külső árnyékoló harisnyával látjuk el és a külső árnyékolást a rendszerben egy helyen, a védőföldre kötjük. [ A védő-árnyékoló vezetékben nem folyhat áram. ] A védőföldet a logikai földdel, rövidzárral összekötni tilos. Lásd még az EMC fejezetet! - Áthallási szempontból az 1 vezetékes árnyékolt kábel, a koaxiális kábel nem ad olyan jó megoldást, mint a csavart érpár. A koaxiális kábelköteget is védő árnyékolással kell ellátni a fentebb elmondottak szerint. Megjegyzés: Az áthallás csökkentésére a csavarást már a XIX században kiépített telefon vezetékeknél is használták. A sok száz kilométeres vezetékeknél már a hangfrekvencia is számottevő jelet indukál a szomszédos vezetékekben. Néhány oszlopnyi távolságonként a tartóknál történt meg a vezeték keresztezése. Ide kívánkozó észrevétel: A földrészeket áthidaló 50 Hz-es erősáramú vezetékeknél a legnagyobb veszteség a lesugárzásból adódik. A fél hullámhossz 1500 km, és ekkora, illetve nagyobb távolságú vezetékek számtalan helyen vannak használatban. Ref.1.1 6/8
A témakörhöz kiegészítésképpen bemutatjuk egy kis ellenállású a végén lezáratlan valós vezetéken a reflexió kialakulását. A meghajtó, a sínek meghajtására kidolgozott ABT sorozatú meghajtó áramkör. Alacsony szint esetén 2 Ω-t, magas szint esetén kb. 50 Ω t képvisel. A meghajtó egy 35 Ω s hullámimpedanciájú vonalra van kapcsolva. A kapcsolás elvi vázlatát a - Texas cég közleményei alapján - a Ref.7. ábrán, a Szimuláció során kialakuló hullámalakokat a Ref. 8. Ábrán mutatjuk be. Jel forrás Kezdet Közép Vég Ζ0=35Ω 3,3V 2Ω 0,3V Ref.7. ábra. Egy vizsgálandó meghajtás elvi rajza. 5,0 V 4,0 V 3,0 V 2,0 V Kezdet Vég 1,0 V 0,0 V -1,0 V 0ns 25ns 50 ns 75 ns 100 ns 125 ns 150 ns 175 ns 200 ns -2,0 V -3,0 V Ref.8. ábra. ABT áramkörrel meghajtott vezetéken kialakuló jelalakok szimulációja. Ref.1.1. 7/8
Ref.3. Ellenőrző kérdések 1. Mutassa be a reflexiót csökkentő lezárás hatását a jelalakra! 2. Mutasson be legalább 3 lezárás korrekt használatát! Ne feledkezzen meg a szükséges felírásokról sem! 3. Mutassa be az áthallás jelenségét és a csökkentés használatos módjait! 3 p. 5 p. 10 p. Ref.4. Felhasznált irodalom 1. 1998 Digital Design Seminar, Texas Instrumens 2. Advanced Backplane Circuits Product Information, Texas Instrumens 1995 3. Advanced BiCMOS ABT Bus Interface logic, Texas Instrumens 1992 4. Bus termination Arrays Application and Data Manual, Texas Instrumens 1993 Ref.1.1 8/8