DE1280298C2

DE1280298C2 - Circuit arrangement for connecting fast-switching digital circuits to a remote DC voltage source via a connecting line

Info

Publication number: DE1280298C2
Application number: DE1968T0035680
Authority: DE
Inventors: Dr Wolfgang Hilberg
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1968-01-12
Filing date: 1968-01-12
Publication date: 1974-10-10
Also published as: DE1280298B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verbindung schnell schaltender digitaler Schaltkreise mit einer entfernt angeordneten Gleichspannungsquelle über eine Verbindungsleitung.The invention relates to a circuit arrangement for connecting fast-switching digital circuits to a remotely arranged DC voltage source via a connecting line.

Es ergeben sich bei digitalen Schaltungen, in denen Schalter, beispielsweise realisiert durch Transistoren, sehr schnell betätigt werden, häufig Schwierigkeiten aus der relativ großen Entfernung zwischen Gieichspannungsquelle und Schalter. Ein solcher Verbraucher ist im folgenden durch die Reihenschaltung eines idealen Schalters S mit einem Lastwiderstand R symbolisch dargestellt. Um trotz der langen Verbindungsleitungen nach dem Schließen des Schalters einen raschen Anstieg des Stromes durch den so Lastwiderstand zu gewährleisten, ist es bekannt, in unmittelbarer Nähe des digitalen Schaltkreises einen groß bemessenen Abblockkondensator C" vorzusehen. Eine solche Schaltung ist in Fig. I dargestellt. Die Gleichspannungsquelle ist hierbei durch eine ideale Quelle Q mit der Urspannung E und einem sehr kleinen Innenwiderstand R₁ dargestellt.In digital circuits in which switches, for example implemented by transistors, are actuated very quickly, difficulties often arise from the relatively large distance between the DC voltage source and the switch. Such a consumer is shown symbolically below by the series connection of an ideal switch S with a load resistor R. In order to ensure a rapid rise in the current through the load resistor after the switch is closed, despite the long connecting lines, it is known to provide a large blocking capacitor C "in the immediate vicinity of the digital circuit. Such a circuit is shown in FIG. The DC voltage source is represented here by an ideal source Q with the original voltage E and a very small internal resistance R ₁ .

Bei dieser bekannten Schaltung wird beim Schließenjdes Schalters 5 der Strom durch den Lastwider* staAdZÜnichstattsdefn Kondensator C'geliefert.In this known circuit, when switch 5 is closed, the current through the load resistor staAdZÜnichstattsdefn capacitor C 'supplied.

fo ist jedoch häufig schwierig, genügend große Kondensatoren in unmittelbarer Nähe des zu speisenden Verbrauchers unterzubringen, besonders beispielsweise bei in integrierter Technik hergestellten Schaltkreisen, da sich Kondensatoren genügender Kapazität in dieser Technik oil nur unter Schwierigkeiten realisieren lessen; außerdem ist oft erwünscht, eine große Anzahl solcher Verbraucher, etwa auf einemhowever, fo is often difficult to get large enough To accommodate capacitors in the immediate vicinity of the consumer to be fed, especially, for example, in circuits manufactured using integrated technology, since capacitors have sufficient capacity in this technique oil only with difficulty let realize; in addition, it is often desirable to have a large number of such consumers, for example on one Planarträger, dicht zusammenzupacken, weil zur Erreichung boner Scfeaitswchwwdigkeit die einzelnen Schaltungen klein OTfI mit möglichst kurzen Leitungen untereinander verbunden sein sollen. Dazwischenliegende große Kondensatoren bilden dann unerwünschte Hindernisse.Planar carriers, to be packed tightly together, because the individual ones are required to achieve good reliability Small OTfI circuits should be connected to one another with the shortest possible lines. Large capacitors in between then form undesirable obstacles.

In der Zeitschrift »Der Elektroniker«, März 1967, S. 86 bis 91. werden im Zusammenhang mit integrierten Schaltkreisen in Datenverarbeitungssystemen Maßnahmen zur Verringerung von Einscbw^:ngstörungen und öbersprecbstörungen angegeben, die darin bestehen, daß die Signalleitungen möglichst kurz ausgeföhrt und die Zuleitungen zu den Betriebspotentialen möglichst fläAig und mduktionsarra ausgebildet werden. Zur Vermeidung von Reflexionen werden Verbmdungslettungen zwischen einzelnen Flacbbaugruppen weiterhin mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen.In the journal "The electronics," March 1967, p 86 to 91 are related to integrated circuits in data processing systems measures to reduce ^Einscbw: given ngstörungen and öbersprecbstörungen which are that the signal lines short ausgeföhrt possible and leads to the operating potentials should be designed as flat and modulated as possible. In order to avoid reflections, connection links between individual Flacbbaugruppen are still terminated with the wave resistance.

Es ist weiterhin ein Impnlsübertragung--w:^m zur Verbindung von Schalteinheiten an getrennten Gestellen eines Hochgeschwindigkeits-Digitalrechners vorgeschlagen worden bei dem die Signalleitung, die als Koaxialkabel ausgebildet ist, annähernd durch ihren Wellenwiderstand abgeschlossen wird.It is still an impulse transmission - w: ^ m to Connection of switching units on separate racks of a high-speed digital computer has been proposed in which the signal line, which as Coaxial cable is formed, is approximately terminated by their characteristic impedance.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 204 289 ist eine Anordnung zur Austastung je eines Pulses bestimmter Phasenlage am Ausgang eines Multiplexübertragungskabels mittels je eines auf den Puls der betreffenden Phasenlage ansprechenden Durchlaßschalters bekannt, wobei zur vollständigen Entladung des Kabels insbesondere bei sehr geringer Breite der über das Multiplexkabelzu übertragenen Kanalpulse das Multiplexkabel ebenfalls mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen wirdFrom the German Auslegeschrift 1 204 289 is one Arrangement for blanking each one pulse of a certain phase position at the output of a multiplex transmission cable by means of one each on the pulse of the relevant Phasing responsive pass-through switch known, with the complete discharge of the cable especially if the width of the channel pulses to be transmitted via the multiplex cable is very small, the multiplex cable is also terminated with its characteristic impedance

Diese Schaltungsanordnungen lösen nicht die zuvor genannten Schwierigkeiten, die sich bei relativ großer Entfernung zwischen einem Schaltkreis und einer Gleichspannungsquelle ergeben.These circuit arrangements do not solve the aforementioned difficulties, which arise when relatively large Distance between a circuit and a DC voltage source.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei digitalen Schaltkreisen, in denen sehr schnelle Schaltvorgänge stattfinden, trotz relativer langer Verbindungsleitungen zwischen den Schaltkreisen und einer Gieichspannungsquelle einen raschen Anstieg des Stromes zu gewährleisten, wenn ein Schaltvorgang ausgeführt wird.The invention is based on the object, in digital circuits in which very fast switching processes take place, despite relatively long connecting lines between the circuits and a DC voltage source to ensure a rapid increase in current when switching is performed.

Die Erfindung besteht darin, daß als Verbindungsleitung/, eine HF-Leitung mit einem Wellenwiderstand Z vorgesehen isi, daß zwischen d«:r einen K lemme der Gieichspannungsquelle und dem einen Leiter der Verbindungsleitung ein Vorwiderstand der Größe R_r eingeschaltet ist, wobei R_x, - Z ist, daß zwischen den Klemmen der Gieichspannungsquelle ein Kondensator C angeschlossen ist und daß der Wellenwiderstand Z kleiner gewählt ist als der Ersatzwiderstand R des Schaltkreises.The invention consists in that as the connecting line /, an HF line with a characteristic impedance Z is provided that between d «: r a terminal of the DC voltage source and the one conductor of the connecting line, a series resistor of the size R _r is connected, where R _x - Z is that a capacitor C is connected between the terminals of the DC voltage source and that the characteristic impedance Z is selected to be smaller than the equivalent resistance R of the circuit.

Leitungsanpassungen sind fur HF-Signalkreise bekannt, nicht aber bei Gleichspannungsversorgungsleitungen.Line adaptations are known for RF signal circuits, but not for DC voltage supply lines.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Abbildungen in einigen Ausführungsbeispielen näher beschrieben.In the following, the invention is explained in more detail in some exemplary embodiments with reference to the figures described.

Fig, 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung, wobei der Verbraucher wieder durch die idealisierten Bauteile^ und R dargestellt ist. Die Gleichspan' nungsnuelle Q besitzt wieder die Urspannung £; der Innenwiderstand R, ist wegen seiner vernachlässigbaren Größe nicht dargestellt. Zwischen dem Verbraucher (S, K) und der Quelle Q ist eine Verbin-Fig. 2 shows the circuit according to the invention, the consumer being represented by the idealized components ^ and R again. The direct voltage source Q again has the original voltage £; the internal resistance R is not shown because of its negligible size. There is a connection between the consumer (S, K) and the source Q

dungsleUungt der Lange/ und des Wellenwiderstandes Z eingeschaltet. Diese Verbindungsleitung ist als HP-Leitung ausgebildet, a-h, der Wellenwiderstand Z ist konstant, und die Leitung hat eine ausreichend hohe obere Grenzfrequenz. Zwischen einem Leiter der Leitung und einer Klemme der Gleichspannungsquelle Q ist ein Vonwiderstand R, eingeschaltet, der so dimensioniert ist, daß sein Widerstandswert gleich dem Wellenwiderstand Z ist. Die Klemmen der Gleichspannungsquelle Q sind zusätzlich mit einem Kondensator C überbrückt, wobei hier die Vorstellung zugrunde liegt, daß in der Praxis zwischen dem Ort der Gleichspannungsquelle und den praktisch benutzten Klemmen auch neeb ein nicht venmcblässigbarer Weg liegt. Die Einschaltung des Kondensators C stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dar; seine insbesondere bei Vorhandensein mehrerer Verbraucher nützliche Rolle wird weiter unten näher beschrieben. Die beschriebene Anordnung hat die folgende Wirkungsweise. Geht man davon aus, daß der Schalter S längere Zeit geöffnet war, so fließt nirgendwo ein Strom; die Verbindungsleitung L hat sich auf die Spannung E aufgeladen. Wird der Schalter S nun geschlossen, so kann sich die Verbindungsleitung über den Widerstand R entladen. Für den Entladevorgang ist es zweckmäßig, sich vorzustellen, daß die Spannungsverteilung auf der Verbindungsleitung in zwei gleich große Komponenten jeweils der dungsleUungt the length / and the wave impedance Z switched on. This connecting line is designed as an HP line, ah, the characteristic impedance Z is constant, and the line has a sufficiently high upper limit frequency. Between a conductor of the line and a terminal of the DC voltage source Q is a supply resistor R, which is dimensioned so that its resistance value is equal to the characteristic impedance Z. The terminals of the DC voltage source Q are additionally bridged with a capacitor C , the underlying idea here being that in practice there is also an unavoidable path between the location of the DC voltage source and the terminals that are used in practice. Switching on the capacitor C represents an advantageous development of the invention; its useful role, particularly in the presence of several consumers, is described in more detail below. The arrangement described has the following mode of operation. Assuming that the switch S was open for a long time, no current flows anywhere; the connection line L has charged itself to the voltage E. If the switch S is now closed, the connecting line can discharge through the resistor R. For the discharge process, it is useful to imagine that the voltage distribution on the connecting line is divided into two components of equal size

Größe j zerlegbar ist, die sich beim Schließen desSize j is separable, which is when closing the

Schalters S in entgegengesetzten Richtungen als Wellen in Bewegung setzen. Die auf den Verbraucher (S, R) zulaufende Welle bewirkt am Widerstand R eine SpannungSet switch S in opposite directions as waves in motion. Which on the consumer (S, R) tapering wave causes a voltage across resistor R.

mo von einem Ende der Leitung zum anderen zu gelangen, resultierend kein Strom durch Rv Brot nach dem Eintreffen der auf die Glibmo to get from one end of the line to the other, resulting in no current through Rv bread after the arrival of the on the glib

U =U =

^2R - r ^2R - r

R + Z ~ ■ R + Z ~ ■

R + Z ■R + Z ■

Diese Formeln leiten sich aus der bekannten Theorie der Brechung elektrischer Wellen bei Wechsel des Wellenwiderstandes her; läuft nämlich eine Spannungswelle der Größe U_k über eine Leitung des Wellenwiderstandes Z₁ und tritt eine Übergangsstelle zu einer Leitung des Wellenwiderstandes Z₂ auf, so bildet sich eine reflektierte Welle der GrößeThese formulas are derived from the well-known theory of the refraction of electrical waves when the wave resistance changes; namely, if a voltage wave of magnitude U _{k runs} over a line of characteristic impedance Z ₁ and if a transition point to a line of characteristic impedance Z ₂ occurs, a reflected wave of the magnitude is formed

und eine weiterlaufende Welle der Größeand a continuing wave of greatness

2 Z2 Z

Daher weist die an dem Verbraucher (S. R) reflektierte Welle die GrößeTherefore, the wave reflected at the consumer (S. R) has the magnitude

,, E R-Z,, E RZ

^U' ⁼ T ' R + Z auf. ^U ' ⁼ T' R + Z on.

Die zur Gleichspannungsquelle hin laufenden Wel len der Amplituden y und U_r finden am Ende der Strecke einen passenden Abschluß (R„) vor und wer den nicht mehr reflektiert. Da zugleich die Batterie eine nach rechts laufende Sprungwelle der Ampli-JC The waves of amplitudes y and U _r running towards the DC voltage source find a suitable termination (R ") at the end of the line and who are no longer reflected. Since at the same time the battery is a jump wave running to the right of the Ampli- JC

tude -j in die Verbindungsleitung L einspeist, fließt während der Laufzeit T, die eine Welle braucht, tude -j feeds into the connecting line L , flows during the running time T, which needs a wave,

c de f r f pgc de f r f pg

mieüe zulaufenden reflektierten Welle mit der s Größe U, ergibt sich an R_v eine SpannungIf there is a tapering reflected wave with the magnitude U, there is a voltage at R _v

ίο Nach Ablauf von T sind alle Ausgieicbsvorgänge beendet, und der stationäre Zustand ist erreicht. Dies ergibt sich auch daraus, daß die Gleichungenίο After T has expired, all pouring processes are over ended and the steady state is reached. This also follows from the fact that the equations

undand

~ E~ E

RTZRTZ

diejenigen Spannungen wiedergeben, die wegen R₁, = Z im Gleichsiromfall an dem Spannungsteiler R, und R anliegen. reproduce those voltages which are present at the voltage divider R and R because of R ₁ , = Z in the case of DC sirom.

Wird der Schalter S in -.User Situation geöffnet, so hat man von einer nach rechts wandernden WelleIf the switch S in -.User Situation is opened, so one has of a wave moving to the right

der Amplitude _Ί auszugehen, die a:if ein offenesof the amplitude _{Ί to} assume the a: if an open

Leitungsende trifft. Dort wird sie mit positiven Vorzeichen völlig reflektiert. Nach der Laufzeit T ist infolgedessen die Hochfrequenzleitung wieder auf die Spannung E aufgeladen; die Ausgleichsvorgänge sind beendet, und die Ausgangssituation, wie oben angenommen, ist erreicht.End of line meets. There it is fully reflected with positive signs. As a result, after the running time T, the high-frequency line is charged again to the voltage E; the equalization processes are ended and the initial situation, as assumed above, has been reached.

Wichtig ist noch, daß der Strom durch den Verbraucher unabhängig von den auf die Gleichspannungsquelle zulaufenden Wellen ist, so daß derIt is also important that the current through the consumer is independent of the direct voltage source incoming waves is so that the

Schalter S keine einschränkenden Bedingungen hinsichtlich seiner Öffnungszeiten zu erfüllen braucht.Switch S does not need to meet any restrictive conditions with regard to its opening times.

In Fig. 2 ist ein zusätzlicher Kondensator C vorgesehen. Er verbessert die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, fills die Gleich-In Fig. 2, an additional capacitor C is provided. It improves the properties of the circuit arrangement according to the invention, fills the equal

Spannungsquelle sehr weit von dem Vorwiderstand R₁. entfernt ist bzw. falls die entsprechenden Verbindungsleitungen für hohe Frequenzen eine zu große Schleife bilden, wobei die Wirkung dem oben bezeichneten Siand der Technik entspricht.Voltage source very far from the series resistor R ₁ . is removed or if the corresponding connection lines for high frequencies form a loop that is too large, the effect corresponding to the above-mentioned Siand the technology.

Soll nun der Lei st ungs verlust in dem Vorstand R₁ klein gehalten werden, muß gelten R₁. -c R, was gleichbedeutend ist mit Z <. R. If the power loss in the board R _{1 is to} be kept small, then R ₁ must apply. -c R, which is equivalent to Z <. R.

Wird daher die Verbindungsleitung wie in F i g. 3 als Streifenieiter Sf. der durch eine dielektrische Schicht D gegenüber einer leitenden Ebene LE isoliert wird, ausgebildet, so muß, um die obige Forderung zu erfüllen, der Abstand von Sr zu LE klein sein. Die Länge / der Leitung ist dagegen beliebig.
F i g. 4 zeigt schematisch den Aufbau der gesam-If, therefore, the connecting line is as shown in FIG. 3 as a strip leader Sf. which is insulated from a conductive plane LE by a dielectric layer D , the distance from Sr to LE must be small in order to meet the above requirement. The length / line, however, is arbitrary.
F i g. 4 schematically shows the structure of the entire

ten Schaltungsanordnung mit einer Verbindungslcitung nach Fig. 3. Es ist zweckmäßig, in diesem Falle den Vorwiderstand R_r als widerstandbehaftetes Leitungsiiück, eventuell mit einer geeigneten Abschrägung am Ende der Leitung L aufzudrucken th circuit arrangement with a Verbindungslcitung according to Fig. 3. It is appropriate, may be printed, in this case the series resistor R _r as resistive Leitungsiiück with a suitable bevel on the end of the line L

oder aufzudampfen. Am Ort der Klemmen bestehen im allgemeinen keine Schwierigkeiten, einen genügend großen Kondensator C über sehr kurze Verbindun gen anzuschließen. or to vaporize. At the location of the terminals there are generally no difficulties in connecting a sufficiently large capacitor C via very short connections .

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Span- Fig. 5 shows the time course of the span

nung U am Widerstand R des Verbrauchers. Die Güte der Anpassung des Vorwiderstandes R₁. an die Leitung kommt durch die Größe der Impulsstörungen nach der Zeit 2 T zum Ausdruck. Die Störungen voltage U at the resistor R of the consumer. The quality of the adaptation of the series resistor R ₁ . to the line of the impulse interference is due to the size after the time T 2 expression. The disturbances

in der Nähe des Ursprungs sind bedingt durch die geometrische Ausgestaltung des Überganges von der Verbindungsleitung zu den Anschlußpunkten des Verbrauchers; diese Störungen können ebenfalls klein gehalten werden. Snear the origin are due to the geometric design of the transition from the Connection line to the connection points of the consumer; these disturbances can also be small being held. S.

Da durch die erfindungsgemäße Schallungsanordnung beide Störursachen, nämlich die Geometrie des Überganges von der Verbindungsleitung auf den Verbraucher und die Qualität der Abblockung zeitlich gut voneinander trennbar sind« lassen sie sich auch gut getrennt voneinander experimentell untersuchen und verbessern, wobei ini Falle von Impulsen einer Dauer, die kleiner isfc als 2 T, der Einfluß von unvollkommener Anpassung und Abblockung gänzlich verschwindet.Since the sound arrangement according to the invention, both causes of interference, namely the geometry of the The transition from the connecting line to the consumer and the quality of the blocking can be easily separated from one another in terms of time also investigate and improve experimentally well separated from one another, ini the case of impulses of a duration which isfc less than 2 T, the influence of imperfect adaptation and blocking disappears entirely.

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit, mit der erfindüngsgemäßen Schaltungsanordnung mehrere VerFig. 6 shows a possibility of using the circuit arrangement according to the invention several Ver braucher (S_n, R_n) über Verbindungsleilungen mit den Wellenwiderständen Z_n an eine einzige Gleichspannungsquelle Q anzuschließen. Auch hier weisen die Vorwiderstände Rt_n die gleichen Werte wie die Wellenwiiderstände der zugehörigen Verbindüngsleilungen auf. Sind mehrere Verbraucher auf einer Platine vereinigt, läßt sich der Aufwand weiter verringern, indem man pro Karte nur einen einzigen Kondensator an einer geeigneten Randstelle vorsieht, der über die Vorwiderstände Ät, and entsprechende Verbindungsleitüngen L_n Yntt den Verbrauchern verbunden ist.consumers (S _n , R _n ) to be connected to a single DC voltage source Q via connecting lines with the wave resistors Z _n . Here, too, the series resistances Rt _{n have} the same values as the wave resistances of the associated connection lines. If several consumers combined on a circuit board, the effort can be further reduced by providing only a single capacitor at a suitable point margin per card, the consumer is connected via the series resistors Aet, and appropriate Verbindungsleitüngen L _n Yntt.

Es ist aüGh möglich, beispielsweise bei der Schal· tung nach Fig. 6, zwischen den Kondensatoren C und der Öleiehspannungscjuelle Q bekannte Schal· ttfügsrnaßnahmen, etwa zur Entkopplung verschiedener Parallelzweige, zu treffen.It is also possible, for example in the circuit according to FIG. 6, to take known circuit measures between the capacitors C and the oil-carrying voltage source Q , for example to decouple different parallel branches.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Verbindung schnell schattender digital» af kise mit einer ent- s ferot angeordneten CHeichspannungsqueUe über eise Verbindsg. dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsleitung Z. eine HF-Leitung nut einem Wellenwiderstand Z vorggsenen ist« d&B zsMscfisn tier ei neu fCTwninc der ίο GleicbspannungsqoeHe und dem einen Leiter der Verig ein Vorwiderstand der Größe R, dngescnaltet ist, wobei R_x, - Z ist. daß zwischen des Klemmen der odchspannungsqueSe ein Kondensator C angeschlossen ist and »s daB der Wellenwiderstand Z kleiner gewählt ist als der Ersatzwiderstand Jl des Schaltkreises.1. Circuit arrangement for the connection of rapidly shading digital signals with a remotely arranged DC voltage source via an iron connection. characterized in that an HF line with a wave impedance Z is provided as the connecting line Z. «d & B zsMscfisn tier ei new fCTwninc the ίο equal voltage q oeHe and the one conductor of the Verig is a series resistor of size R, thin, where R _x , - Z is. that a capacitor C is connected between the clamping of the voltage source and that the characteristic impedance Z is chosen to be smaller than the equivalent resistance J1 of the circuit.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß «Se Verbindungsleitung und/oder der Vorwiderstand R^ mittels Aufdampf- oder Drucktechnik hergestellt sind2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that «Se connecting line and / or the series resistor R ^ are produced by means of vapor deposition or printing technology

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Anschluß mehrerer Verbindungsleitungen L an die Gleichspannungsquelle.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized by the connection of several connecting lines L to the DC voltage source.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Vielzahl von digitale Schaltkreise enthaltenden planaren Trägern (Karten) die digitalen Schaltkreise jedes planaren Trägers über Leitungen L und Wider- stände R_c parallel geschaltet und mit nur einem Kondensator C verbunden sind4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that in the case of a plurality of planar carriers (cards) containing digital circuits, the digital circuits of each planar carrier are connected in parallel via lines L and resistors R _c and are connected to only one capacitor C.