¿Podemos reducir el consumo de energía de las interfaces digitales usando líneas de transmisión de alta impedancia?

Si bien, en teoría, las impedancias altas reducirían la disipación de energía para la misma oscilación de voltaje, existen varios problemas importantes en la práctica.

1) Es la potencia, no el voltaje, de una señal lo que determina la relación señal/ruido. Si debe girar el riel completo, entonces ganaría aumentando la impedancia. Sin embargo, si lanza una potencia específica, entonces la baja impedancia no es un gran problema, simplemente reduzca su swing.

2) No es físicamente práctico obtener impedancias de mucho más de 100 ohmios en una placa. El conductor de la señal debe volverse increíblemente delgado, el espacio hasta el plano de tierra consume mucho espacio. La impedancia se expresa como la relación logarítmica del espacio al centro, por lo que rápidamente se queda sin mejora.

Hay otras razones por las que nos gusta un director central bastante carnoso, además de la fabulosa posibilidad de hacerlo. Las pérdidas de cobre varían inversamente con el área de la superficie del conductor (toda la RF fluye en la superficie) y, de hecho, 75 ohmios es la geometría de pérdida más baja (que es la razón por la que se usa para alimentar antenas receptoras). La geometría de manejo de potencia más alta es de alrededor de 35 ohmios, dependiendo del calentamiento y los campos eléctricos de la superficie. Estas dos cifras son la razón por la cual se eligió 50 ohmios como un compromiso entre los dos criterios en competencia como la impedancia "estándar" para el equipo de prueba.

3) En un detector de alta velocidad, la impedancia de entrada es un parámetro crítico. Es más fácil de manejar con una línea de impedancia más baja, por las mismas razones geométricas por las que no se puede hacer una línea Z alta en una placa, realmente no se puede hacer un receptor IC de línea Z alta.

Esta resistencia de terminación cierra el bucle de corriente entre dos líneas de señal diferencial y crea una cantidad decente de pérdida de energía, por lo que se requieren amplitudes de voltaje bajas para reducir el consumo de energía.

Creo que aquí hay un concepto erróneo sobre cómo funcionan las líneas de transmisión. El propósito de la terminación del extremo del receptor es disipar toda la potencia para evitar que se refleje.

Piénsalo de esta manera: hay un "pulso" viajando por la línea. Este pulso encarna una cierta cantidad de energía. En el camino, parte de esa energía se disipa por la no idealidad de la línea de transmisión. En el extremo del receptor, el pulso debe tener una amplitud suficiente para distinguirlo del ruido. Trabajando hacia atrás desde eso le da la cantidad de energía que se debe poner en el "lanzamiento" del pulso para garantizar que llegue limpiamente.

Si la impedancia del receptor no coincide, parte de la señal se reflejará, lo que empeorará sus problemas de detección de señal.

Si esto suena como los requisitos para la SNR de radio, hay una muy buena razón: una línea de transmisión es muy similar a una onda de radio que (en su mayoría) está contenida en un cable en lugar de una guía de ondas o se le permite irradiar al espacio libre.

Las soluciones para reducir el requerimiento de energía son similares:

• mejorar SNR: mejorar el blindaje de la línea de transmisión y reducir su acoplamiento a fuentes de ruido
• mejorar la discriminación de la señal: mejores esquemas de codificación de canales, receptores más sensibles
• reducir las pérdidas de trayecto: mejorar el blindaje de la línea de transmisión y reducir su acoplamiento a pérdidas externas
• reducir la resistencia óhmica de la línea de transmisión
• Reduzca el margen: en lugar de elegir un nivel de potencia que esté garantizado para funcionar en circunstancias adversas, "entrene" el transmisor al nivel mínimo de potencia confiable. Actualmente la interfaz cableada más utilizada con cualquier tipo de formación es para DRAM, pero es más común en las interfaces inalámbricas.

Bueno, podría reducir la energía, al menos en las interfaces, pero esto trae a colación una gran cantidad de otros problemas.

En una placa de circuito impreso, las impedancias más altas significan anchos de línea más estrechos y mayor espacio entre las capas. Los anchos de línea más angostos impactan negativamente en el rendimiento de fabricación, y los espacios más grandes entre capas significan más material y tableros más gruesos. Ambos aumentan el costo de PWB. Incluso con estos valores heroicos, es difícil obtener una impedancia de un solo extremo muy por encima de los 60 o 70 ohmios, suponiendo ~5,6 milésimas de pulgada entre capas, lo cual es típico para nuestros diseños: 0,134" de grosor total de la placa y 24 capas.

Luego está el problema de que la mayoría de los equipos de prueba de alta velocidad están diseñados con impedancias características de 50 ohmios, lo que complicaría la realización de mediciones en interfaces con una impedancia distinta de 50 ohmios.

Si bien otras respuestas han abordado su pregunta, hay una suposición que ha hecho que no es necesariamente cierta:

Las líneas de transmisión deben terminarse con la misma impedancia que la propia línea de transmisión para obtener una coincidencia de impedancia y evitar reflejos en un punto final de alta impedancia.

Da la casualidad de que esto se denomina terminación en paralelo. Si está familiarizado con la terminología de EE, esto debería conducir inmediatamente a la especulación sobre "¿por qué paralelo? ¿Existe tal cosa como la terminación en serie?" Y, sí, Virginia, existe tal cosa.

Si la fuente está acoplada a una línea de transmisión por una impedancia en serie igual a la impedancia de la línea, y el extremo receptor tiene una impedancia alta en relación con la impedancia de la línea, el extremo receptor producirá un reflejo. Sin embargo, el reflejo (a) será muy pequeño y (b) será absorbido cuando llegue a la fuente, debido a que la impedancia de adaptación actúa como un terminador en paralelo.

Entonces, si esto es tan bueno, ¿por qué no se usa más? Tradicionalmente, el mayor problema es que los dispositivos lógicos tienen diferentes impedancias de salida en salidas altas y bajas. Esto hace que la coincidencia simple sea imposible.

Las configuraciones de transmisión de muy alta calidad utilizan transmisión en serie y en paralelo para lograr la máxima supresión de reflejos, al tiempo que aceptan la pérdida de potencia garantizada de 3 dB que esto implica.