Электрически длинные линии передачи

Хотя параметры линии являются распределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппроксимируют сосредоточен­ными, но на малом элементе (фрагменте) линии,

где R_п, L_п, C_п —погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость. Со­противление и индуктивность линии вводятся только в прямой провод, но с учетом сопротивления и индуктивности обратного провода.

Важнейшей характеристикой электрически длинной ЛП является ее волновое сопротивление Z₀, которое показывает, что электромагнитная вол­на, распространяющаяся вдоль линии, имеет отношение напряжение/ток, равное Z₀. Приближенно волновое сопротивление можно определить по вы­ражению

При передаче сигналов по длинным линиям важно согласовать сопротив­ление нагрузки с волновым сопротивлением линии.

Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче гармонических сигналов в несогласованной линии одновременно присутствует прямая волна, распространяющаяся от начала линии к ее концу, и обратная, передающаяся от конца линии к ее началу. Обратную волну рассматривают как результат отражения прямой и называют отраженной, а прямую — падающей.

Отношение амплитуды напряжения отраженной волны U₀ к амплитуде волны падающей U_n определяется выражением

где ρ₀ — коэффициент отражения; R — сопротивление в начале или конце ЛП.

Вывод: Электрически длинные линии должны быть согласованы для минимизации отраженного сигнала.

Перекрестные помехи. Они обусловлены электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству ЛП

Требования микроминиатюризации и, следовательно, увеличения плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную зада­чу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную ра­боту аппаратуры.

Помехи на входе U₃ и выходе U₄ пассивной линии передачи ЛП2 от па­раллельно расположенной активной ЛП1:

где R₁ , R₃ и R₂, R₄ — соответственно выходные и входные сопротивления модулей; С, М — емкость и взаимная индуктивность между ЛП.

При выводе этих уравнений принято условие слабой взаимосвязи между линиями, что предполагает одностороннее влияние активной линии на пас­сивную и исключает обратное влияние. Распределенные параметры взаимной индуктивности и емкости линий заменены сосредоточенными, сопротивления утечки между линиями и сопротивления проводов не учитываются.

Свойство переключательных схем не реагировать на помехи и функцио­нировать при воздействии помех обеспечивается их помехоустойчивостью, которая определяется из передаточной характеристики.

Статическая помехоустойчивость — максимальная амплитуда помехи для напряжения высокого U¹_пом и низкого U⁰_пом уровней, определяется из урав­нений:

где U¹_пор, U⁰_пор — пороговые входные напряжения для логических уровней 1 и 0, при которых происходит переход в область неопределенного состояния логической схемы; U¹, U⁰ — выходные напряжения логических уровней 1 и 0.

Если вычисленное значение помехи превысит допустимую величину, то принимаются меры по уменьшению паразитных значений М и С. Снизить зна­чение паразитной емкости между ЛП можно уменьшением длины совместного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, пере­дающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле (земля выполняет функцию экрана), введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Например, заземление оп­летки коаксиального кабеля позволит целиком избавиться от емкостной помехи.

Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП воз­можно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использо­ванием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей.

Ошибки на шинах связанные с разной длиной проводников

Высокоскоростные шины компьютера характеризуются высокими частотами сигналов. Пусть частота шины 133 МГц, для передачи неискаженной формы прямоугольного сигнала, при разложении в ряд Фурье нам требуются как минимум вторая и третья гармоники (для формы сигнала типа меандр), т.е. фактический передаваемый спектр сигнала будет 399 МГц, округлим – 400 МГц. Следует обратить внимание, что именно гармоники передают фронт/спад прямоугольного импульса. Если гармоники каким-либо образом фильтровать, то мы получим синусоидальный сигнал, вместо прямоугольного, что цифровыми схемами не будет корректно воспринято.

Длина волны (без учета снижения скорости в диэлектрической среде):

На концах проводника длиной  меняется сигнал на 360 градусов, /2 будет меняться значение сигнала гармоники на противоположный (180 градусов), в пределах /8 8 см форма прямоугольного сигнала будет изменена еще не существенно – (45 градусов для гармоники – это небольшое запаздывание фронта).

Вывод: С повышением скорости передачи сигналов на шине, все более важным становится соотношение длины проводников. Например, для шины 2ГГц критичной разницей длины проводников будет 0,5см. Если длина проводников в одной шине будет разная, то для более длинных проводников фронт сигнала будет запаздывать относительно коротких проводников, т.е. задержка распространения будет несогласованной. Современные программы трассировки позволяют согласовывать длины проводников в ответственных шинах.

Современные тенденции построения шин

Параллельные шины передачи данных достаточно чувствительны к перекрестным помехам и рассогласованию задержки распространения сигнала по линиям. Сужение шины и вызывает уменьшение электромагнитной интерференции и позволяет увеличить скорость передачи.

Рассмотрим на примерах.

Пример 1

В шлейфах IDE 40pin задействованы почти все проводники

Хотя проводники расположены «в ряд», перекрестные помехи не позволяли повысить скорость передачи данных. Были разработаны IDE 80pin кабели, в которых сигнальные и заземляющий провод чередовались, что позволило увеличить скорость передачи данных в два раза.

Пример 2

Память RamBus : Direct RDRAM - система с длинным каналом

В данной памяти разработчики перешли от одной широкой шины к четырем узким каналам. Канал Rambus — узкая шина, в ней предусмотрены шестнадцать линий для передачи данных (плюс еще две линии для ECC) всего с шиной адреса - тридцать линий. С обратной стороны канал Rambus терминируется серией сопротивлений.

Данные считываются из банков по широкой внутренней шине, а передаются по узкой внешней, необходимы высокочастотные мультиплексоры и демультиплексоры в чипах памяти и контроллере (чипе мат. платы), на лету «упаковывающие» данные в высокочастотный канал и выполняющие обратные операции. То же самое с адресами — они преобразуются в пакеты, которые демультиплексируются и декодируются специальными схемами внутри чипов DRDRAM.

Канал синхронизируется с частотой от 267 до 533 МГц; за один такт происходит передача двух бит данных. Высокочастотная интерфейсная логика в микросхемах памяти и чипсете рассеивает большую мощность, поэтому каждый RIMM с самого начала снабжался металлическим радиатором. Необходимость установки терминаторов указывает на то, что линии связи являются электрически длинными.

Пример 3

Память DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной частотой передачи данных

В этом типе оперативной памяти обмен данными по внешней шине идет не только по фронту тактового импульса, но и по спаду. В результате, без увеличения тактовой частоты внешней шины удваивается объем передаваемой информации.

Стандарт	Частота внутренней шины, МГц	Частота внешней шины, МГц	Количество транзакций в секунду, МТр	Теоретическая пропускная способность, Мб/с
DDR400	200	200	400	3200
DDR2-800	200	400	800	7100
DDR3-1600	200	800	1600	12800

Пример 4

Последовательные шины SATA, PCI-E, USB

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое линией (англ. lane — полоса, ряд). Соединение между двумя устройствами PCI Express состоит из одной (x1) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных линий. Каждое устройство должно поддерживать соединение по крайней мере с одной линией (x1).

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками.

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных.

Битрейт в PCIe 1.0 составляет 2,5 Гбит/с. Для расчёта пропускной способности шины необходимо учесть дуплексность и избыточность 8b/10b (8 бит в десяти). Например, дуплексная пропускная способность соединения x1 составляет:

2,5 Гбит/с. · 2 · 0,8 = 4 Гбит/с

0,8 — учёт избыточности 8b/10b для 1.0 и 2.0;

0,985 — 128b/130b для 3.0;

	Связей
	x1	x2	x4	x8	x12	x16	x32
PCIe 1.0	2/4	4/8	8/16	16/32	24/48	32/64	64/128
PCIe 2.0	4/8	8/16	16/32	32/64	48/96	64/128	128/256
PCIe 3.0	8/16	16/32	32/64	64/128	96/192	128/256	256/512
PCIe 4.0 (предварительно)	16/32	32/64	64/128	128/256	192/384	256/512	512/1024

Интерфейс SATA имеет два канала передачи данных, от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру. Для передачи сигнала используется технология дифференциальную передачу сигнала LVDS, провода каждой пары являются экранированными витыми парами.

Контакт #	Назначение
1	GND
2	A+ (Передача данных)
3	A− (Передача данных)
4	GND
5	B− (Прием данных)
6	B+ (Прием данных)
7	GND

Интерфейс USB. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства.

Вывод: Дифференциальная передача сигналов обладает рядом преимуществ:

1. Так как регистрируется разница напряжений на двух проводниках и проводники скручены, наводки в линии связи примерно одинаковы для двух проводов и разница двух одинаковых сигналов равна нулю (х-х = 0).

2. Хотя провода 2, но канал связи один. Для одного канала не может быть перекрестных помех (так как ни с кем не перекрещиваемся – любая помеха является внешней) или разности в прохождении сигнала (электрический ток движется только по двум приводам – по одному проводу ток течь не может, а, значит, не может сигнал прийти по одному проводу раньше другого).