Unità D: Elettronica digitale. Cosa Cosa c è c è nell unità D

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1 Elettronica per telecomunicazioni 1 Cosa Cosa c è c è nell unità D Unità D: Elettronica digitale D.1 Interconnessioni D.2 Integrità di segnale D.3 Diafonia e ground bounce D.4 Dispositivi programmabili D.5 Flusso di progetto 2

2 Contenuto dell unità D Interconnessioni interfacciamento statico e dinamico 3 Contenuto dell unità D Interconnessioni interfacciamento statico e dinamico Integrità di segnale analisi di interconnessioni, driver e receiver 4

3 Contenuto dell unità D Interconnessioni interfacciamento statico e dinamico Integrità di segnale analisi di interconnessioni, driver e receiver Diafonia accoppiamenti induttivi e capacitivi, maglie comuni distribuzione di masse e alimentazioni 5 Contenuto dell unità D Interconnessioni interfacciamento statico e dinamico Integrità di segnale analisi di interconnessioni, driver e receiver Diafonia accoppiamenti induttivi e capacitivi, maglie comuni distribuzione di masse e alimentazioni Dispositivi logiciprogrammabili struttura e funzioni flusso di progetto 6

4 Prerequisiti per l unità D Struttura e parametri delle porte logiche Comportamento di sistemi del I e II ordine nel dominio del tempo Linee di trasmissione ideali Circuiti logici elementari, combinatori e sequenziali 7 Obiettivi dell unità Competenze acquisite Integrità di segnale nei sistemi digitali come fare in modo che il segnale trasporti l informazione voluta sceltadella famiglia logicapiù adatta tecniche per la distribuzione di massa e alimentazione Dispositivi logici programmabili caratteristiche procedure e strumenti di progetto 8

5 Lezione D1 Strutture di interconnessione richiami di interfacciamento statico modello RC tempo di trasmissione e skew modello a linee diagramma a traliccio esempi Riferimenti nel testo Sistemi di interconnessione 5.1 Interfacciamento elettrico Elettronica per telecomunicazioni 10

6 Indice della lezione D1 Strutture di interconnessione richiami di interfacciamento statico modello RC tempo di trasmissione e skew modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi 11 Interconnessioni La tecnologia microelettronica permette di collocare > 10 9 transistori su un chip come portare l energia richiesta (alimentazione) e allontanare il calore come portare entro e fuori il chip le informazioni 12

7 Interconnessioni La tecnologia microelettronica permette di collocare > 10 9 transistori su un chip come portare l energia richiesta (alimentazione) e allontanare il calore come portare entro e fuori il chip le informazioni Il sistema di interconnessione rappresenta il collo di bottiglia per le prestazioni di sistemi complessi 13 Interconnessioni La tecnologia microelettronica permette di collocare > 10 9 transistori su un chip come portare l energia richiesta (alimentazione) e allontanare il calore come portare entro e fuori il chip le informazioni Il sistema di interconnessione rappresenta il collo di bottiglia per le prestazioni di sistemi complessi modello a strati per dividere il problema utente, applicazione, SW, protocolli, bus, come spostare bit e gruppi di bit con la massima efficienza (max velocità, min energia) 14

8 Regole di compatibilità statica Condizioni sulle tensioni uscita margine di rumore V livello alto V OH V OL livello basso V IH V IL V IMAX ingresso stato logico non definito V IMIN legame con le correnti 15 Definizione di V IH e V IL Le tangenti a 45 individuano una zona con Vo/Vi > 1, che garantisce la rigenerazione del segnale logico. V O V OH Tangente a 45 V OL V I Le tensioni V I comprese tra V IH e V IL sono interpretate in modo ambiguo. V IL V IH Intervallo con Vo/Vi > 1 16

9 Come individuare V IH e V IL I circuiti CMOS attuali hanno trascaratteristica praticamente verticale, in corrispondenza della tensione di soglia V T. V O V OH V OL V I V T 17 Come individuare V IH e V IL I circuiti CMOS attuali hanno trascaratteristica praticamente verticale La tensione di soglia è definita con scarsa precisione V O V OH V OL V I 18

10 Come individuare V IH e V IL I circuiti CMOS attuali hanno trascaratteristica praticamente verticale V O Tangente a 45 V OH La tensione di soglià è definita con scarsa precisione V OL V I V IH e V IL sono individuate dalle tengenti a 45 per le trascaratteristiche limite V IL V IH 19 Data split V O A V OH B V IN B A V OL V I V IL V IN VIH tensioni di ingresso ambigue 20

11 Data split V O V OH B V IN A B 1 0 V OL V IL A V IN VIH V I Se il livello di ingresso V IN è intermedio tra le due soglie, i buffer lo interpretano come stati logici differenti. È un caso di tensioni di ingresso ambigue DATA SPLIT 21 Comportamento dinamico uscita logica DRIVER VO INTERCONNESSIONE V I Ingresso logico RECEIVER I segnali logicinon sono perfette onde quadre Un collegamento non è equipotenziale 22

12 Comportamento dinamico uscita logica DRIVER VO INTERCONNESSIONE V I Ingresso logico RECEIVER I segnali logicinon sono perfette onde quadre Un collegamento non è equipotenziale V O V I 23 Modelli per l interconnessione Due tipi di modello: A parametri concentrati unico nodo equipotenziale coppia RC, LC, RL circuito RLC complesso catena di gruppi RLC A parametri distribuiti linea di trasmissione ideale linea di trasmissione con perdite 24

13 Elettronica per telecomunicazioni 25 Indice della lezione D1 Strutture di interconnessione richiami di interfacciamento statico modello RC tempo di trasmissione e skew modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi 26

14 Modello del sistema Modello lineare per driver e receiver Va uscita a vuoto del driver Ro resistenza equivalente di uscita del driver Ri resistenza di ingresso del receiver Ci capacità di ingresso del receiver R O B INTERCONNESSIONE C V A V B C I R I V C 27 Unico nodo equipotenziale Caso più semplice interconnessione modellata come collegamento diretto permette di definire i parametri significativi R O B INTERCONNESSIONE C V A V B C I R I V C 28

15 Modello RC Circuito equivalente: cella passa basso del primo ordine R = R O //R I ; C = C P rispostaesponenziale al gradino la variazione di stato logicovienericonosciutadal receiver quando la tensione di ingresso attraversa la soglia V T 29 Tempo di trasmissione Il ritardo con cui viene riconosciuta la variazione di stato logico è il TEMPO DI TRASMISSIONE (t TX ) t TX dipende da: livelli inziali e finali all uscita del driver (Voh, Vol) soglia V T del receiver resistenza di uscita Ro del driver capacitá di ingresso Ci del receiver 30

16 Variazioni del t TX V O V OH VT1 V T2 V IH V OL t TX 1/2 t TX(MAX) t 31 Skew Tx varia da una connessione all altra e per varie coppie driver-receiver sulla stessa connessione La differenza t TXmax - t TXmin è lo SKEW (t K ) Lo skew dipende dalla dispersione di livelli di uscita effettivi del driver parametri dell interconnessione soglia del ricevitore 32

17 Modello RC dell interconnessione Interconnessione modellata con cella RC stessi modelli dei driver e receiver, con Ro, Ri, Ci resistenza serie Rs capacità parallelo Cp B R S C V B C P V C circuito equivalente 33 Modello RC In entrambi i casi: cella passa basso del primo ordine risposta esponenziale al gradino Tempo di trasmissione t TX e skew t K legati a parametri di driver e receiver Voh, Vol, Vih, Vil, Ro, Ri, Ci parametri dell interconnessione Rs, Cp posizione sull interconnessione Vb diverso da Vc 34

18 Elettronica per telecomunicazioni 35 Indice della lezione D1 Strutture di interconnessione richiami di interfacciamento statico modello RC tempo di trasmissione e skew modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi 36

19 Altri modelli a parametri concentrati Nell interconnessione sono presenti anche induttanze R-C R-L-C G P -R S -L-C 37 Altri modelli a parametri concentrati Nell interconnessione sono presenti anche induttanze R-C R-L-C G P -R S -L-C R, L e C sono distribuite lungo tutto il conduttore 38

20 Modello a linea ditrasmissione Nell interconnessione sono presenti anche induttanze R-C R-L-C G P -R S -L-C R, L e C sono distribuite lungo tutto il conduttore Modello a linea di trasmissione Z O, t P 39 Modelli a parametridistribuiti Il modello a linea di trasmissione è più accurato Quando occorre usare il modello a linee? collegamenti lunghi & segnali veloci lunghezza conduttore > 1/6 lungh elettrica di t r /t f conta la ripidità dei fronti, non la frequenza di clock tempo di propagazione confrontabile con i tempi di salita e discesa del segnale. corrispondenza circa 2,5 cm/ns 40

21 Quali connessioni? Possono essere considerate linee di trasmissione le piste su PCB e i cavi (coassiali, cavi piatti, doppino, ) R serie e G parallelo nulle linee ideali, senza perdite, Z reale valori indicativi Z : Ω U: 0,6-0,8 c (18-24 cm/ns) 41 Parametri di linee senza perdite Parametri legati alle dimensioni e ai materiali Lu: impedenza unitaria Cu: capacità unitaria l: lunghezza 42

22 Parametri di linee senza perdite Parametri legati alle dimensioni e ai materiali Lu: impedenza unitaria Cu: capacità unitaria l: lunghezza Z : impedenza caratteristica; 43 Parametri di linee senza perdite Parametri legati alle dimensioni e ai materiali Lu: impedenza unitaria Cu: capacità unitaria l: lunghezza Z : impedenza caratteristica; u: velocità di propagazione; t P = l/u : tempo di propagazione 44

23 Da cosa dipendono i parametri Z e U dipendono da Cu e Lu 45 Da cosa dipendono i parametri Z e U dipendono da Cu e Lu Aumentando Cu piste più larghe, minor distanza da massa, capacità aggiuntiva di altri ingressi e uscite diminuisce Z diminuisce la velocità di propagazione U 46

24 Da cosa dipendono i parametri Z e U dipendono da Cu e Lu Aumentando Cu piste più larghe, minor distanza da massa, capacità aggiuntiva di altri ingressi e uscite diminuisce Z diminuisce la velocità di propagazione U Aumentando Lu piste più strette aumenta Z diminuisce la velocità di propagazione U 47 Elettronica per telecomunicazioni 48

25 Indice della lezione D1 Strutture di interconnessione richiami di interfacciamento statico modello RC tempo di trasmissione e skew modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi 49 Effetto delle discontinuità Discontinuità geometriche del conduttore e presenza di carichi determinano variazioni di impedenza caratteristica, e quindi: variazioni di V e I rispetto a una linea uniforme. 50

26 Effetto delle discontinuità Discontinuità geometriche del conduttore e presenza di carichi determinano variazioni di impedenza caratteristica, e quindi: variazioni di V e I rispetto a una linea uniforme. Sulle discontinuità la relazione V/I = Z deve valere sia verso destra (Z1) che verso sinistra (Z2) V/I = Z1, V/I = Z2 V è uguale per i due lati La discontinuità genera un onda riflessa 51 Coefficienti di riflessione Definiamo un coefficiente di riflessione Γ : Γ = (Z 1 - Z )/(Z 1 + Z ) Se l onda incidente è Vp, l onda riflessa dalla discontinuità da Z a Z 1 ha una ampiezza Vr : Vr = Γ Vp 52

27 Coefficienti di riflessione Definiamo un coefficiente di riflessione Γ : Γ = (Z 1 - Z )/(Z 1 + Z ) Se l onda incidente è Vp, l onda riflessa dalla discontinuità da Z a Z 1 ha una ampiezza Vr : Vr = Γ Vp Una discontinuità significativa è la terminazione su una resistenza Rt; 53 Coefficienti di riflessione Definiamo un coefficiente di riflessione Γ : Γ = (Z 1 - Z )/(Z 1 + Z ) Se l onda incidente è Vp, l onda riflessa dalla discontinuità da Z a Z 1 ha una ampiezza Vr : Vr = Γ Vp Una discontinuità significativa è la terminazione su una resistenza Rt; Γt, coefficente di riflessione alla terminazione, vale: Γt = (Rt - Z )/(Rt + Z ) 54

28 Onda incidente e onda riflessa Lungo una linea si propagano: onda PROGRESSIVA o INCIDENTE Vp (dal generatore verso il carico) onda REGRESSIVA o RIFLESSA Vr (dal carico verso il generatore). V(t) e I(t) sono somma dei due termini Vp e Vr V(t) = Vp + Vr In ogni punto della linea V(t)/I(t) = Z ; 55 Linea pilotata con gradino Modello lineare per driver e receiver (terminazione) Linea senza perdite V A R O V B B Z, t P R T C V A V C 56

29 Primo gradino Il driver è caricato con Z Il gradino V B (0) impresso sulla linea è dato dalla partizione di Va su Ro e Z Z 57 Primo gradino e prima riflessione Il gradino V B (0) si propaga lungo la linea onda incidente v 1 58

30 Primo gradino e prima riflessione Il gradino V B (0) si propaga lungo la linea onda incidente v 1 Dopo un tempo t P giunge alla terminazione Alla terminazione (R T ) si genera un onda riflessa v 2 l ampiezza di v 2 dipende da Γ T T circuito completo 59 Elettronica per telecomunicazioni 60

31 Indice della lezione D1 Strutture di interconnessione richiami di interfacciamento statico modello RC tempo di trasmissione e skew modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi 61 Tensione sulla linea Due rappresentazioni del segnale sulla linea: distribuzione della tensione lungo la linea a un dato istante di tempo il gradino di tensione si muove dal generatore verso la terminazione, l onda riflessa in senso opposto, e le eventuali riflessioni successive in direzioni alterne 62

32 Tensione sulla linea Due rappresentazioni del segnale sulla linea: distribuzione della tensione lungo la linea a un dato istante di tempo il gradino di tensione si muove dal generatore verso la terminazione, l onda riflessa in senso opposto, e le eventuali riflessioni successive in direzioni alterne andamento del segnale nel tempo in un determinato punto della linea la tensione varia nel momento in cui nel punto di osservazione transitano il gradino inziale e le successive riflessioni diagramma a traliccio 63 Segnale agli estremi Il segnale si ottiene sommando via via i contributi di onda incidente e onda riflessa Lato driver: discontinuità a 0, 2t P, 4t P, Lato terminazione: discontinuità a t P, 3t P, 5t P, punto intermedio: numero doppio di discontinuità onda incidente e riflessa transitano in tempi diversi 64

33 Sommario lezione D1 Strutture di interconnessione modello a strati delle interconnessioni interfacciamento statico parametri elettrici dei circuiti logici modello RC definizione di tempo di trasmissione e skew modello a linee parametri significativi andamento V(x,t) Esercizio D1.1: tempi di trasmissione e skew 65 Verifica lezione D1 Quali sono le condizioni di compatibilità statica tra porte logiche? Dare la definizione di tempo di trasmissione e di skew Quanto vale il coefficente di riflessione per linea aperta linea in corto circuito linea terminata sull impedenza caratteristica Come variano impedenza caratteristica e velocità di propagazione aumentando la capacità per unità di lunghezza? La tensione a regime su una linea dipende da Z o da R T? 66

34 Prossima lezione (D2) Integrità di segnali terminazioni analisi di casi specifici carico capacitivo commutazione su onda incidente esempi specifici con linee Riferimenti nel testo Dispositivi reali 5.2.5, Esempi