Das eBook Angewandte Mikroelektronik wurde von Hans Lohninger zur Unterstützung verschiedener Lehrveranstaltungen geschrieben. Weitere Informationen finden sie hier.

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Siehe auch: Lange Signalleitungen 
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Leitungsabschluss

CMOS-Bausteine haben üblicherweise eine hohe Eingangsimpedanz (typ. 10 MΩ) und eine niedrige Ausgangsimpedanz (100 bis 1000 Ω). Diese Ungleichheit der Impedanzen kann zu Reflexionen von Signalen führen und in der Folge zu Schwingungen, die die Stabilität der digitalen Schaltung verschlechtern.

Für den Fall, dass die Länge der Signalleitung (z.B. die Leiterbahn) größer ist als

l = tr/2tpd

und die Impedanzen extrem ungleich sind, wird ein nahezu gleicher, aber negativer Puls von der Last zur Quelle gespiegelt (tr ... Anstiegszeit des Signals, tpd ..... die Verzögerungszeit der Leitung pro Längeneinheit). Man kann obige Gleichung auch so formulieren: eine Signalreflexion tritt auf, falls die Signalanstiegszeit kleiner als die doppelte Verzögerungszeit der Leitung ist.

Bei bipolaren Bausteinfamilien werden diese Reflexionen durch Klemm- oder Begrenzungsdioden abgefangen, wodurch diese Bausteinfamilien relativ unempfindlich auf Reflexionen sind. Bei CMOS-Bausteinen ist die Situation etwas anders. Um negative Effekte durch "Latch-up" zu vermeiden, wird das Substrat meist auf eine negative Vorspannung gelegt. Zusätzlich müssen Maßnahmen getroffen werden, die solche Reflexionen unterdrücken.

Dazu gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten: (1) die Verzögerungszeit auf den Leitungen zu ändern (z.B. durch verdrillte Leitungen), oder (2) die Impedanzen durch Abschluss der Leitung anzupassen. In den meisten Fällen wird aus praktischen Gründen eher die zweite Möglichkeit eingesetzt werden.

Arten der Terminierung

Es gibt drei Typen von Leitungsterminierung, wobei die AC-Terminierung die beste Lösung darstellt:
  • Seriendämpfung
  • Pull-up/Pull-down-Netzwerke
  • AC-Terminierung

Seriendämpfung

Die Seriendämpfung erreicht man, in dem man einen kleinen Widerstand (10 bis 100 Ω) möglichst nahe an der Signalquelle in die Übertragungsleitung einfügt. Die Idee dahinter ist, dass man den Reflexionsfaktor an der Signalquelle null macht, in dem man durch Einfügen eines Serienwiderstands die (scheinbare) Ausgangsimpedanz der Signalquelle gleich der Leitungsimpedanz macht: Rq + Rs = Z0.

Ein Nachteil der Seriendämpfung besteht darin, dass man die Signallasten ausschließlich am Ende der Leitung anschließen darf. Würde man z.B. ein zusätzliches Bauelement in der Mitte der Leitung anschließen, so würde diese Bauelement nur den halben Spannungspegel des Signals sehen und dadurch nicht korrekt ansprechen (der halbe Spannungspegel ergibt sich aus der Reflexion des Signals an der Last).

Pull-up/Pull-down Netzwerke

Obwohl Pull-up/pull-down-Netzwerke gerade für TTL-Schaltungen sehr beliebt sind, sollte man sie nur im Notfall einzusetzen, da sie ziemlich viel Energie verbrauchen. Die grundlegende Idee hinter diesen Schaltungen ist die Absorption überschüssiger Signalenergie durch Querströme am Ende einer Leitung:

Für TTL-Bauteile, die z.B. Bandkabel treiben müssen, werden Widerstände von R1 = 220 Ω und R2 = 330 Ω empfohlen. Die beiden Widerstände weisen zusammen eine Impedanz von ca. 130 Ω auf, was in etwa der Leitungsimpedanz eines Flachbandkabels entspricht (typ. 150 Ω).

Ist das Kabel nicht angeschlossen, so ergibt sich Eingang der Last ein Spannungspegel von 3 V. Da die meisten Kontrollsignale einen aktiven logischen Pegel von 0 haben, erzeugt ein nicht angeschlossenes Kabel automatisch ein nicht aktives Eingangssignal.

AC-Terminierung

Die AC-Terminierung ist die beste aller besprochenen Varianten, da sie weder halbe Spannungspegel erzeugt, noch Energie im Ruhezustand verbraucht. Allerdings werden für diese Art der Terminierung zwei Bauelemente benötigt.

Die AC-Terminierung hat darüberhinaus auch noch den Vorteil, dass sie wie ein Tiefpassfilter wirkt und kurze Störimpulse unterdrückt werden. Typischerweise werden für R und C Werte von 47 Ω und 47 pF genommen (das entspricht bei gedruckten Schaltungen der Unterdrückung von Impulsen, die kürzer als 9 ns sind).

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Last Update: 2010-12-05