Riflettometria
Il caso duale al precedente è quello in cui si vogliono determinare le caratteristiche del carico e della linea, conoscendo l'andamento dei segnali della linea stessa. La riflettometria studia appunto queste metodologie. Con la tecnica TDR si usano le conosocenze della teoria delle linee e della propagazione dei segnali per determinare le caratteristiche della linea, dei carichi e delle eventuali discontinuità. Il principio alla base della tecnica TDR è quello dell'eco: ad un estremo della linea si inietta un segnale che si propaga in un certo tempo e viene riflesso alla sorgente, ipotizzando la situazione di adattamento. Per avere risultati sperimentali consistenti è necessario avere dei generatori di tensione molto veloci (in modo da poter inviare segnali simili a quelli ideali) e degli oscilloscopi in grado di visualizzare in modo dettagliato l'onda riflessa. Per avere strumenti "sincronizzati" tra loro è più comodo utilizzare lo stesso strumento sia come generatore di segnali, sia come oscilloscopi. Tali dispositivi vengono chiamati TDR (Time Domain Reflectometer).
Nell'ipotesi che sia ignota anche l'impedenza della linea è necessario disporre anche di una resistenza di uscita variabile del generatore, in modo da poter determinare quando l'onda viene completamente assorbita.
La precisione dei fronti e la banda dell'oscilloscopio determinano la risoluzione delle misure, in quanto la distanza percorsa (dt) è uguale al prodotto tra la velocità (Up) e il tempo di propagazione (tp).
Nel caso sulla linea siano presenti più discontinuità è possibile distinguerle temporalmente, in quanto verranno originati più fronti sfasati nel tempo e quindi separate sull'oscilloscopio. A questo punto esistono diverse forme d'onda che potranno essere visualizzate, a seconda del carico della linea:
-puramente resistivo, a fronte d'onda incidente di ampiezza E/2 si ottiene un'onda riflessa proporzionale al coefficiente di riflessione.
-puramente capacitivo, a fronte d'onda incidente di ampiezza E/2 si ottiene un'onda riflessa esponenziale (con tempo di salita pari al prodotto tra la capacità e l'impedenza) che parte da 0 (il condensatore inizialmente è scarico) fino ad arrivare al valore E. Il tratto esponenziale può essere analizzato anche con la formula v(t)=(v0-vinf)*e(-t/tao)+vinf.
-capacitivo e resistivo (serie RC), a fronte d'onda incidente di ampiezza E/2, si ottiene un'onda riflessa esponenziale (con tempo di salita pari al prodotto tra la capacità e l'impedenza) che parte da ((R-Z0)/(R+Z0)) (il condensatore inizialmente è scarico) fino ad arrivare al valore E
-induttivo e resistivo (serie RL), a fronte d'onda incidente di ampiezza E/2, si ottiene un'onda riflessa esponenziale (con tempo di salita pari a L/(Z0+R)) che parte da E fino ad arrivare a E*R/(R+Z0).
-induttivo e resistivo (parallelo RL), a fronte d'onda incidente di ampiezza E/2, si ottiene un'onda riflessa esponenziale, si ottiene un'onda riflessa esponenziale (con tempo di salita pari a L/(Z0+R)) che parte da E((R-Z0)/(R+Z0)) fino ad arrivare a 0.
Rumore indotto (Crosstalk)
La riflettometria nei casi reali deve tenere conto degli effetti dovuti alla presenze di più linee vicine, poichè esse potrebbero iniettare del rumore che si sovrappone al segnale. Un altro fenomeno è quello del rumore di ritorno comune che si verifica quando due linee usano come linea di ritorno lo stesso percorso.
Per analizzare in dettaglio il rumore prendiamo in considerazione una linea (linea disturbata) che corre parallela ad un'altra linea (linea disturbante), sulla quale viaggia un gradino di tensione. A causa di questo gradino si genera una serie di disturbi per ogni sezione infinitesima della linea, con velocità pari alla velocità di avanzamento dell'onda disturbante. Si originano due tipi di rumore indotto (crosstalk):
-forward crosstalk (in fase), che ha lo stesso verso dell'onda disturbante e che si ingrandisce in ampiezza a mano a mano che raccoglie tutti i contributi infinitesimi verso la destinazione.
-backward crosstalk (all'indietro), che ha direzione opposta all'onda disturbante e che raccoglie i contributi sempre più lontani dalla sorgente e che rimane quindi con intensità contenuta ma carica di energia.
Il forward crosstalk è normalmente meno pericoloso del backward, in quanto ha ampiezza molto elevata, ma durata infinitesima, e quindi viene filtrato dal filtro passa-basso del ricevitore. Al contrario il backward, anche se ha ampiezza inferiore ha una durata non trascurabile ed è quindi "sentito" dal trasmettitore. Per diminuire gli effetti del crosstalk bisogna ridurre l'accoppiamento capacitivo, separando il più possibile le linee o schermandole. Per eliminare il crosstalk induttivo bisogna invece agire sulle correnti, diminuendo lo slew-rate del trasmettitore. Un metodo per ottenere questo risultato è quello di usare linee differenziali, dove è quindi possibile trasmettere due valori complementari per un solo segnale, in modo che essi annullino a vicenda gli effetti del crosstalk. Per ridurre gli effetti del ritorno di massa, l'unica soluzione è quella di produrre una linea di ritorno il più possibile ideale.
Il crosstalk è più dannoso nel caso di linea poco caricata, in quanto l'impedenza è maggiore e quindi i gradini hanno una maggiore dinamica.
Un caso particolare di rumore è quello delle linee open-collector, in quanto quando c'è passaggio da 1->0, per un istante la corrente che entra nel driver viene completamente riflessa originando due onde proporzionali a Z0*Iol/2, che provocano glitch.
Disturbi dell'alimentazione
Un problema che si i costruttori hanno riscontrato man mano che i tempi di commutazione diminuivano e le velocità aumentavano è stato il bounce rate.
Per spiegare tale fenomeno è utile pensare a uno stadio di uscita di tipo CMOS, ad elevata corrente, collegato al mondo esterno mediante un contenitore (package). Il collegamento avviene normalmente tramite dili (bonding wire), che collegano le piazzole terminali (pad) e i piedini (pin) del contenitore. Questo sistema può essere modellizzato con un interruttore CMOS e con tre induttanze di qualche nanohenry, che si collegano a terra (Lgnd), alla tensione (Lvdd) e all'uscita (Lu). Analizzando la transazione 0->1 si nota che nel modello si potrebbe generare un "buco" sulla tensione di alimentazione. Per limitare questo fenomeno è utile inserire un condensatore di disaccoppiamento in grado di lavorare ad alta frequenza, per supplire a questa "mancanza" di tensione. Per la transazione 1->0 il discorso è più complesso in quanto essa provoca una caduta di tensione repentina, che potrebbe danneggiare lo strumento o alterare l'uscita su altre uscite. Questo fenomeno è detto ground bounce e tra le altre cose provoca anche un'estensione del riferimento interno di massa anche agli stadi di ingresso del circuito.
Per limitare il fenomeno del ground bounce si sono provate diverse soluzioni:
-diminuendo le induttanze, lo spostamento delle masse e delle alimentazioni verso il centro del package. Per diminuire le induttanze si è ad esempio raddoppiato il numero dei pin e i pad.
-dividendo il riferimento di massaper i circuiti di uscita, di ingresso e interni.
-diminuendo il salto di uscita, per ridurre la corrente e il rumore indotto.
Dal punto di vista dell'utilizzatore esistono invece altri accorgimenti che possono essere presi:
-collegamenti brevi verso massa e capacità di disaccoppiamento molto vicine al package
-far commutare le uscite in tempi differenti
-utilizzare famiglie veloci solo quando necessario.
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