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 1 Diseño de Sistemas Digitales de Alta Velocidad Universidad Politécnica de Cartagena Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Andrés Iborra García Juan Suardíaz Muro Andres.Iborra@upct.es Juan.Suardiaz@upct.es Tema 02: Influencia de las Conexiones. Líneas de transmisión Diseño de Sistemas Digitales de Alta Velocidad. Tema 02.- Influencia de las Conexiones 1 El “Stack-Up” El Coeficiente de Reflexión Estudio de la Transmisión Introducción Diagramas de Reflexiones El Bus PCI

Diagrama de Bounce

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Diseño de SistemasDigitales de Alta Velocidad

Universidad Politécnica de CartagenaEscuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

Andrés Iborra García Juan Suardíaz Muro

[email protected] [email protected]

Tema 02:Influencia de las Conexiones.Líneas de transmisión

Diseño de Sistemas Digitales de Alta Velocidad. Tema 02.- Influencia de las Conexiones 1

El “Stack-Up”

El Coeficiente de Reflexión

Estudio de la Transmisión

Introducción

Diagramas de Reflexiones

El Bus PCI

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IntroducciónIntroducción

Si la electricidad se transmite a la velocidadde la luz, con una frecuencia de 50Hz:

km000.6m10· 6Hz50

s/m000.000.300

f

v 6p

====λ

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ORÍGENES DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Cuando se tienen en cuentaaspectos de líneas de transmisión,la corriente y el voltaje son

funciones del tiempo y del espacio.

Es posible obtener un circuito equivalente por unidad de longitud de la línea.

Zo= Impedancia Característica de la líneatd= Tiempo de propagación de la onda (td=l/c)

R: Resistencia por unidad de longitud.

L: Inductancia por unidad de longitud.G: Conductancia por unidad de longitud.C: Capacidad por unidad de longitud.

Cambio en

‘ I ‘Cambio en‘ U ‘

Cw jGLw jR

Z0⋅⋅+

⋅⋅+=

En una línea de transmisiónideal, las pérdidas seconsideran despreciables 0

00 C

LZ ≈

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El “stack El “stack --up” up”

El “stack-up” define la estructura de un PCB:

· Número de capas.

· Espesores de cobre y dieléctrico.

· Tipo de dieléctrico.

· Anchura de pistas y vías.

· Planos de alimentación y masa.

Se emplean dos tipos de líneas de transmisión:· Stripline: capas interiores.

· Microstrip: capas exteriores.m1

Hz10300s/m10· 300

f

v6

6p

=⋅

==λ

Las ondas que circulan por laspistas pueden causar efectos

de L.T.

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MICROSTRIP

Consiste en una pista de cobre sobre un plano conductor que sirvede retorno de la señal.

Se utiliza en las capas superior e inferior (top y bottom)

En la práctica, se deposita una capa aislante sobre el cobre, demodo que las características de la línea resultan ligeramentemodificadas.

Ejemplo: Pista de 5mils(milésimas de pulgada de anchura), espesor de cobre de 35 µm, espesor del dieléctrico de 100 µm y constantedieléctrica relativa de 4.5 => Z0=56.6Ω y tp=60ps/cm

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STRIPLINE

Consiste en una pista de cobre entre dos planos conductores quesirven de retorno de la señal

Se utiliza en las capas interiores.

Ejemplo: Pista de 5mils(milésimas de pulgada de anchura), espesor de cobre de 17.5 µm, espesor total del dieléctrico de 400 µm yconstante dieléctrica relativa de 4.5 => Z0=53.2Ω y tp=68.4ps/cm

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OTROS TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Coeficiente de ReflexiónCoeficiente de Reflexión

0t

0t

ZZZZ

+

−=ρ Zo: Impedancia característica de la línea.

Zt: Impedancia de terminación (la que aparece alfinal de la línea)

El análisis de la evolución de las señales a lo largo de las líneas de transmisióndebe de tener en consideración las reflexiones que se producen debido a lasdiscontinuidades (terminaciones)

El coeficiente de reflexión es unamedida de la cantidad de señalque “refleja” la discontinuidad.

Se define matemáticamente apartir de la siguiente expresión:

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COEFICIENTES DE REFLEXIÓN PARTICULARES

Terminación en cortocircuito

1ZZ

ZZZZ

lim0

0

0t

0t

0Z t

−=−

≈+

−=ρ

Terminación en circuito abierto

1ZZ

ZZZZ

limt

t

0t

0t

Z t

=≈+

−=ρ

∞→

Terminación en impedancia de línea

0ZZZZ

ZZZZ

00

00

0t

0t =+

−=

+

−=ρ

NO SE PRODUCE REFLEXIÓN

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Estudio de la TransmisiónEstudio de la Transmisión

Pasos que se han de seguir en el análisis de los efectos de Líneas deTransmisión:

Determinación de los voltajesiniciales (el inicial y el que secomienza a transmitir)

Cálculo del coeficiente de reflexión de lacarga y del voltaje transmitido a ésta

Cálculo del coeficiente de reflexión de la

fuente y del voltaje transmitido a ésta

Resumir la información en los denominadosdiagramas de reflexión

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DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DE PARTIDA

Se produce una discontinuidad en los valores de tensión que seentregan al circuito.

Al generarse, la onda que se propaga sólo “ve” la impedanciacaracterística de la línea.

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PROPAGACIÓN DE LA ONDA

La onda viajera hace que por donde pase la tensión pase de 0V a V+

y la corriente es transmitida por la corriente de desplazamiento, que

hace que se cargue la capacidad de la línea.

Por delante de la onda viajera, la tensión es de 0V, ya que aún no hallegado la información del cambio.

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REFLEXIÓN EN EL EXTREMO (TERMINACIÓN)

Cuando la onda viajera se encuentra una frontera o discontinuidad,la onda se dispersa. Una parte se sigue transmitiendo, pero otra serefleja.

0t

0tB ZR

ZR+

−=ρ

VB = V reflejada + Vincidente

Vreflejada = ρB · Vincidente

Vincidente = V+

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REFLEXIÓN EN EL ORIGEN (FUENTE)

La onda reflejada en el punto B, viaja de nuevo a través de la líneade transmisión hasta la fuente, reflejándose de nuevo en ésta.

0S

0SA ZR

ZR+−=ρ

VA

= Vi+V reflejada + Vincidente

Vi = V+

Vreflejada = ρA · Vincidente

Vincidente = ρB · Vincidente

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ANÁLISIS DEL PERMANENTE

Se produce un flanco de ondas en la línea que sevan transmitiendo y reflejando. La solucióndebería converger al valor permanente:

Si la entrada cambia muy rápido, es posibleque este valor permanente no se llegue aalcanzar; por lo que el circuito podríapresentar comportamientos extraños

Un diseño digital se considera de alta velocidad si hemos de considerar laspistas como líneas de transmisión, es decir, si la longitud de las pistas no esmuy pequeña comparada con la longitud de onda de las señales quecirculan por ella. A efectos prácticos, el límite suele estar fijado en L<λ/10

El subimpulso originado puede provocar falsos flancos en las señales de reloj;

mientras que el sobreimpulso puede hacer conducir los diodos de protección y afectar a la vida del componente.

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Diagramas de ReflexionesDiagramas de Reflexiones

La magnitud de todas estas oscilaciones queda reflejada en losdenominados diagramas de reflexiones (‘Reflection Diagrams’ o‘Bounce Diagrams’)

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EJERCICIO 1

El circuito de la figura adjunta presenta un comportamiento tipo ‘linea detransmisión’, con un retraso asociado T.

Considerando que Rs = Zo, calcule y dibuje las formas de onda de V1(t),I1(t), V2(t) e I2(t) en los siguientes supuestos:

a) RL=∞

b) RL=3·Zo

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EJERCICIO 1- Solución caso A

0ZRZZ

ZRZR

0S

00

0S

0SS =

+

−=

+

−=ρ

1ZRZR

0L

0LL ≈

+

−=ρ

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EJERCICIO 1- Solución caso B

0ZRZZ

ZRZR

0S

00

0S

0SS =

+

−=

+

−=ρ

5.0ZZ3ZZ3

ZRZR

00

00

0L

0LL =

+⋅

−⋅=

+

−=ρ

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EJERCICIO 2

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EJERCICIO 2

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EJERCICIO 3

Vsal V2

0,75 Vsrc 0,75 Vsrc-0 = 0,75 Vsrc

0,75 Vsrc *0,5 = 0,375 Vsrc0,75+0,37=1,12

0,75+0,375-0,187= 0,938

0,938-0,187+0,093=0,844

0,844-0,093+0,046 = 0,797

0,797+0,046+0,023=0,866

0,375 Vsrc *-0,5 = -0,187 Vsrc

-0,187 Vsrc *0,5 = - 0,093 Vsrc

-0,093 Vsrc *-0,5 = 0,046 Vsrc

ρsrc = (3Z0 – Z0) / (3Z0 + Z0) = 1/2ρdst = (Z0/3 – Z0) / (Z0/3 + Z0) = -1/2Vsal = (Z0 / (Z0/3 + Z0)) .Vsrc = 0,75. Vsrc

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EJERCICIO 4

Vsal V2

5* 10/150 = 0,31 0,31-5 = -4.69

-4.69*1 = -4.69 5-4,69-4,69=-4,38

-4.69*-0,88 = 4,1

4.1*1 = 4,1

4.1*-0,88= -3.6

0,31-4,69+4,1=-0,28

-4,38+4,1+4,1= 3,82

-0,28+4,1-3,6=0,22

3,82-3,6-3,6= -3-38

ρsrc = (10 –150) / ( 160) = -0,875ρdst = (∞ – 150) / (∞ + 150) = 1

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El Bus PCI El Bus PCI

Se trata de un tipo de bus que actualmente dispone de dos entornoseléctricos distintos (5V y 3.3V) y tres tipos de tarjetas (5V, 3.3V yuniversales 5/3.3.V).

Se espera que en un futuro el único tipo sea el de 3.3V. La operación a66Mhz sólo está permitida a 3.3V.

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y TEMPORALES

El PCI es un bus CMOS, por lo que presentaunas corrientes estáticas muy reducidas.

Se encuentre diseñado de forma que sea un busde onda reflejada, por lo que también presentaunas corrientes dinámicas moderadas (valores depico entorno a 300mA)

En consecuencia, se trata de un bus de bajo/moderado consumo de energía