Modellistica delle linee di trasmissione
PARTE II
Analisi qualitativa e quantitativa di reti di elementi distribuiti e concentrati
prof. Antonio Maffucci
Sommario
Parte I: Modelli nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo. Circuiti equivalenti nel dominio del tempo.
Parte II: Analisi qualitativa e quantitativa di reti di
elementi distribuiti e concentrati.
Reti di interconnessioni e circuiti concentrati
Equazioni
Equazioni del modello del modello a a linea
linea
caratteristiche
caratteristiche dei dei bipli bipli terminali
terminali
+
1. 1. Il Il modello modello analitico analitico è è sempre sempre ben ben posto posto ? ?
2. 2. Le Le soluzioni soluzioni numeriche numeriche convergono convergono sempre sempre ? ?
Formulazione del problema
0 x
v(x,t) i(x,t)
d +
− +
− +
v1−( t ) v2( t )
C1 C2
1
1’
2
2’
( t )
i1 i2( t )
⎪ ⎩
⎪ ⎨
⎧
∂ =
− ∂
∂ =
− ∂
) s , x ( V ) s , x ( x Y
) s , x ( I
) s , x ( I ) s , x ( x Z
) s , x (
( ) ( ) V
[ 1 1 ] 0
1 v . , i . , t =
f f 2 [ v 2 ( ) ( ) . , i 2 . , t ] = 0
Modello
w1 v1
+
−
Rc 1
1’ 2’
2
w2
Rc
v2
+
−
i1 i
2
+_ +_
z cr z cr
C
1C
2( ) ( )
( ) ( )
⎩ ⎨
⎧
∗ +
=
−
∗ +
=
−
) ( )
( )
(
) ( )
( )
(
2 2
2 2
1 1
1 1
t v t
z t
w t
i R t
v
t v t
z t
w t
i R t
v
cr c
cr c
( ) ( )
( ) ( )
⎩ ⎨
⎧
−
∗
=
−
∗
=
] 2
[ ) ( )
(
] 2
[ ) ( )
(
1 1
2
2 2
1
t w t
v t
p t
w
t w t
v t
p t
w { }
[ ]
{ exp ( ) ( ) }
) (
) ( / ) ( )
(
/
1 1
s Y s Z d L
t p
R s
Y s Z L
t z
C L R
c cr
c
−
=
−
=
=
−
−
Proprietà della z cr (t)
regolare funzione
) ( t = z
cr( ) t − R c i ( ) t = w t + ∫ t z cr t − τ i τ d τ
v
0
) ( ) (
) ( Il kernel
Il kernel dell dell ’ ’ equazione equazione integrale integrale
è è sempre sempre integrabile integrabile
Proprietà della p(t)
LC d
T t
for t
p ( ) = 0 < =
Le Le leggi leggi di di controllo controllo delle delle w(t) w(t) sono sono con con ritardo ritardo
in ogni in ogni istante istante t t le due terminazioni le due terminazioni sono sono disaccoppiate
disaccoppiate
( ) τ − ( ) τ τ
τ
−
=
−∫ p t v w d
t w
T t
] 2
[ ) (
)
(
2 20 1
Problema all’istante t
( ) t − R c i ( ) t = e t + ∫ t z cr t − i τ d τ
v
0
) ( ) 1 (
) (
Il modello Il modello è è ben ben posto? posto ?
E’ E ’ possibile possibile formulare formulare condizioni condizioni per garantire per garantire che che sia sia tale? tale?
v(t) +
−
Rc 1
1’
i(t)
+_ zcr
C
e(t)(t)
( ) ( )
[ v . , i . , t ] = 0
f
Esempio: linea terminata su un bipolo non lineare e dinamico
Bipolo Bipolo
+ v −
N e
i
v +
−
R
cz
cr(t)
+−
L
z+ v
L− i
LC + v
C− i
CEstremit
Estremit à à della della linea linea
Modello matematico
( ) 1 ( ) ( ) 0
0
C t
C
C i d v
t C
v = ∫ τ τ +
( ) 1 ( ) ( ) 0
0
L t
L
L v d i
t L
i = ∫ τ τ +
( ) = ∫ t cr ( − τ ) ( ) τ τ
z t z t i d
v
0
( ) t − R i ( ) t − v ( ) ( ) t − e t = 0
v c z
( v i ) 0
N N , N , v C , i C , v L , i L , v , i =
Elementi
Elementi dinamici dinamici
Sottorete
Sottorete resistiva resistiva
Il problema è ben posto se tutte le grandezze sono esprimibili in funzione delle variabili di stato
c
c V
v = i L = I L
z
z V
v = Circuito
Circuito resistivo resistivo associato
associato v z
i v c , L ,
N e
i
v +
−
R
c+−
i
CV
C+ −
V I
L
V
zL
+
+
generatori di
sostituzione
Un risultato generale
In questo modo tutti i risultati della Teoria dei Circuiti concentrati si estendono ai circuiti distribuiti
Il problema è ben posto se il circuito resistivo associato
ammette una ed una sola soluzione
Esempio: linea terminata su un resistore non lineare
( ) [ ] ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
⎪ ⎪
⎩
⎪⎪ ⎨
⎧
τ τ τ
−
=
=
−
−
−
= +
∫ t cr
z
z c
d i
t z
t v
t e t
v t
i R t
v
t v g t
i
0 )
(
0
e(t) i
v +
−
R
cz
cr( t)
+−
+ v
z−
Circuito resistivo associato
( )
( ) 0
0
= +
−
−
= +
e v
i R v
v g i
z c
e(t) i
v +
−
R
cz
cr( t)
+−
+ v
z−
( ) [ ] ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
⎪ ⎪
⎩
⎪⎪ ⎨
⎧
τ τ τ
−
=
=
−
−
−
= +
∫ t cr
z
z c
d i
t z
t v
t e t
v t
i R t
v
t v g t
i
0
0 )
(
0
e i
v +
−
R
cV
zg(v)
+
+ _
1) la funzione g(v) è continua
2) il resistore è debolmente attivo 3) vale la relazione
Condizioni sufficienti per la corretta posizione
R c
dv
dg > − 1
Queste condizioni sono sufficienti a garantire che il
modello ammette una ed una sola soluzione
Resistore debolmente attivo
R c
dv
dg > − 1
La condizione impone un limite alla pendenza nel tratto negativo della stessa
v i
I
-I
resistore controllato in
tensione debolmente
attivo
Un problema mal posto
i
0(t)
+
- j(t)
i
d(t)=0
v
d(t) g(.)
Ipotesi: linea senza perdite, condizioni iniziali nulle, non è verificata la condizione sulla pendenza
R
cd
dg v < − 1 /
( ) ) 0
( − − =
− R g v j w
v
cSoluzione alla terminazione di sinistra:
Un problema mal posto
R
ct v t
E ( ) ( )) /
( − E ( t ) = − R
cj ( t ) + w ( t )
la soluzione è data dall'intersezione della g(.) con la retta , dove
v i
A
B
C E(t)
E +
E -
quando E
−< E t ( ) < E
+non è più garantita l'unicità della soluzione
( ) ) 0
( − − =
− R g v j w
v
cbipolo bipolo
+ v −
N e
i
v +
−
R
cz
cr(t)
+−
L
z+ v
L− i
LC + v
C− i
CEstremit
Estremità à della della linea linea
Modello numerico di una linea terminata su
un bipolo non lineare e dinamico
Modello numerico
integrazione
integrazione con la regola con la regola dei dei trapezi trapezi
( ) ( )
( ) m ( ) m
m cr
z tz I S
V − Δ =
2
0
( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 0
1
r 2
t z I t z I
S m = Δ ∑ m = − cr m − r r + Δ cr m
( ) = ∫ t cr ( − τ ) ( ) τ τ
z t z t i d
v
0
t
m
t m = Δ
Modello numerico
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( V I ) 0
N =
=
−
−
m m
m m
m m
m m
m m
z m
c m
I V
I V
I V
E V
I R V
, ,
, ,
, ,
, C C L L
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) m ( ) m ( ) m
m cr m
z m
m I m
m
Q C I
V t
S tz I
V
Q L V
I t
V C
C
0 L L
2 2 2
Δ =
− Δ =
− Δ =
−
E’ possibile garantire la convergenza della soluzione
numerica?
Il modello numerico è ben posto se il circuito discreto associato ammette una
ed una sola soluzione
Il circuito discreto associato
+
+
N
I +
−
Rc
+ −
+− E
( )
mS
( )
mΔt 2C
V
( )
mVC
( )
mIC
( )
m Qv( )
mIL
( )
mQL
( )
m+ V
( )
m − 2L / Δ t0.5Δtzcr(0)
L
( )
m( ) [ ] ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
⎪ ⎪
⎩
⎪⎪ ⎨
⎧
τ τ τ
−
=
=
−
−
−
= +
∫ t cr
z
z c
d i
t z t
v
t e t
v t
i R t
v
t v g t
i
0
0 )
(
0
e(t) i
v +
−
R
cz
cr( t)
+−
+ v
z−
Esempio: linea terminata su un
resistore non lineare
Circuito discreto associato ( ) [ ] ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
⎪ ⎪
⎩
⎪⎪ ⎨
⎧
τ τ τ
−
=
=
−
−
−
= +
∫ t cr
z
z c
d i
t z
t v
t e t
v t
i R t
v
t v g t
i
0
0 )
(
0
e(t)
iv +
−
Rc
z
cr( t)
+−
+ v
z −( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
⎪ ⎩
⎪ ⎨
⎧
= Δ
−
=
−
−
= +
m m
cr m
z
m m
z m
c m
m m
S I
z V
E V
I R V
V g I
t 5
. 0
, 0 )
(
0
+
−
+−
I
( )
mV
( )
m E( )
mS
( )
m Rc0.5Δtzcr( 0) +
Corretta posizione del problema numerico
R eff
dv
dg > − 1
( cr ( ) c )
c
eff R tz R
R = 1 + 0 . 5 Δ 0 / 1) la funzione g(v) è continua
2) il resistore è debolmente attivo 3) vale la relazione
Queste condizioni sono sufficienti a garantire che il
modello numerico ammette una ed una sola soluzione
Interpretazione della condizione sulla pendenza
R eff
dv
dg > − 1 R eff = R c ( 1 + 0 . 5 Δ tz cr ( ) 0 / R c )
⎭ ⎬
⎫
⎩ ⎨
= ⎧
dv R dg x m min c
Δ t x
x
< 2 1 + m
ν
Per un particolare problema resta fissata la quantità
Il passo di discretizzazione dovrà risultare
Se la condizione sulla pendenza è rispettata, si ha
quindi è sempre possibile scegliere un Δt opportunamente piccolo in modo che il problema numerico risulti ben posto.
In caso contrario qualunque sia Δt il problema numerico è sempre mal posto (non c'è l'unicità)
Interpretazione della condizione sulla pendenza
Δ t x
x
m m
< 2 1 + ν
x
m> −1
⎭ ⎬
⎫
⎩ ⎨
= ⎧
dv
R dg
x m min c
Riformulazione di un problema mal posto
e(t) i
v +
−
R
cz
cr( t)
+−
+ v
z−
( )
⎩ ⎨
⎧
= +
−
−
= +
0 )
( 0
e V
i R v
v g i
z c
( ) u F ( V e ) F
i = = z +
v i
P1
P2
P3
− e / Rc
e
R c
dv
dg < − 1
e(t)
i v +
−
R
cz
cr(t)
+−
+ v
z(t) −
C
pi v +
−
R
c+−
V
zE
p+ − +
E
−
Modello di ordine superiore:
effetto di una capacità parassita
+
+ +
− −
I ( )
mV ( )
mE ( )
mS ( )
mR
cQ ( )
mI
C( )
mΔ t 2C
p0.5Δtz
cr(0) +e(t)
i v +
−
R
cz
cr(t)
+−
+ v
z(t) −
C
pModello di ordine superiore:
effetto di una capacità parassita
Interpretazione del modello di ordine superiore
i
0(t)
+
- j(t)
i
d(t)=0
v
d(t)
g(.) dg d v < − 1 / R
cv i
A
B
C E(t)
E +
E -
quando
E
−< E t ( ) < E
+non è più garantita
l'unicità della soluzione
Interpretazione del modello di ordine superiore
v i
A
B
C E(t)
E
+E
-v
E +
E - P -
P +
P 0 E
la capacità impone la continuità della soluzione,
quindi si discriminano le possibili soluzioni in E
−< E t ( ) < E
+Simulazione di linee di
trasmissione singole ideali
w1 v1
+
−
Rc 1
1’ 2’
2
w2
Rc
v2
+
−
i1 i
2
+_ +_
C1 C2
0 x
v(x,t) i(x,t)
d +
− +
− +
v1−( t ) v2( t )
C1 C2
1
1’
2
2’
( t )
i1 i2( t )
( ) ( )
( ) ( )
⎩ ⎨
⎧
=
−
=
−
) (
) (
2 2
2
1 1
1
t w t
i R t
v
t w t
i R t
v
c c
( ) ( )
⎨ ⎧ w
1( t ) = 2 v
2t − T − w
2t − T
( ) ( ) . , . , ] 0
[
2 22
v i t =
( ) ( ) . , . , ] 0 f [
1 11
v i t =
f
) ( )
( t R t z
c=
cδ
) (
)
( t t T
p = δ −
Formulazione del problema
x=0 x +
v(x,t)− i(x,t)
x=d +
−
+
v v−
i
R i1
j(t) R1
1
2
2 2
rete
+
− R1
j(t) R2
Rc
+−
Rc
+
) − 1(t w
+
− )
1(t
i i2(t)
)
1(t
v w2(t) v2(t)
Circuito equivalente
( ) ( )
( ) ( )
( )
( )
⎪ ⎪
⎩
⎪⎪ ⎨
⎧
−
−
−
=
−
−
−
=
=
−
=
−
) (
2 ) (
) (
2 ) (
) (
) (
1 1
2
2 2
1
2 2
2
1 1
1
T t w T
t v t
w
T t w T
t v t
w
t w t
i R t
v
t w t
i R t
v
c c
( ) ( )
( ) ( )
⎩ ⎨
⎧
−
=
−
=
t i R t
v
R t v t
j t
i
2 2 2
1 1
1
( ) /
i2n
i1n
+
−
R1 R2
Rc
+−
Rc
+
−
+
− jn v1n w1n w2n v2n
( )
⎪ ⎪
⎪ ⎪
⎩
⎪⎪
⎪ ⎪
⎨
⎧
−
=
−
=
= +
+ +
=
−
−
−
−
m n m
n n
m n m
n n
n c n
n c n
c n
w v
w
w v
w
R w R
v R
j R R w
R v R
2 2
1
2 2
2 1
1 1
1 1
2 2
t m T
t n t
Δ
= Δ
=
Esempio: analisi di interconnessione su package
+
v
sR
s60 mm 1 mm
4 mm
5 mm
problema- tipo: trasmissione del segnale di clock
t
) (t vs
TS
tr
VS
C
rConfronto tra modelli: distribuito e concentrato
s +
v
R
sC
rLl
Cl
( ) ( ) ( ) ( )
dt t z C dv
dz t z di
dt t z L di dz
t z dv
, ,
, ,
=
−
=
−
mm 60
ns 2 . 0
02 . 97 Z
pF/m 37
. 34
H/m 324
. 0
0
=
=
Ω
=
=
μ
=
l T C
L
Tensione sul ricevitore
V
ths 9 s,
1 nF,
1 C
, ,
V
1 =
0= = μ = μ
=
s r r ss
R Z t T
V
errore di
sincronia
Tensione sul ricevitore
V
ths 9 . 0 s,
1 . 0 nF,
0.1 C
, V,
1 =
0= = μ = μ
=
s r r sS
R Z t T
V
errore di sincronia
riduzione del
margine dalla
soglia
Tensione sul ricevitore
V
thns 90 ns,
10 nF,
0.01 C
, V,
1 =
0= = =
=
s r r sS
R Z t T
V
Tensione sul ricevitore
distribuito full-wave ns
3 . 0 ns,
09 . 0 pF,
0.1 C
, V,
1 =
0= = =
=
s r r sS
R Z t T
V
0 0.5 1 1.5 2
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t [ns]
[V]
Simulazione di linee di
trasmissione singole con perdite
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
⎩ ⎨
⎧
=
∗
−
−
=
∗
−
−
) ( )
(
) ( )
(
2 2
2 2
1 1
1 1
t w t
i t z t
i R t
v
t w t
i t z t i R t
v
cr c
cr c
( ) ( )
⎧ w ( t ) = p ( t ) ∗ [ 2 v t − w t ]
0 x
v(x,t) i(x,t)
d +
− +
− +
v1−( t ) v2( t )
C1 C2
1
1’
2
2’
( t )
i1 i2( t )
w1 v1
+
−
Rc 1
1’ 2’
2
w2
Rc
v2
+
−
i1 i
2
+_ +_ zcr zcr
C1 C2
( ) ( ) . , . , ] 0
[
2 22
v i t =
( ) ( ) . , . , ] 0 f [
1 11
v i t =
f
Formulazione del problema
Valutazione delle risposte impulsive
• decomposizione in parte principale e regolare
• valutazione analitica delle parti principali
• valutazione numerica dei remainders )
( )
( )
( t z t z t
z
c=
cp+
cr) ( )
( )
( s Z s Z s
Z
c=
cp+
crP ( s ) = P
p( s ) + P
r( s )
) ( )
( )
( t p t p t
p =
p+
r) ( )
( s P s
P ≈
p) ( )
( s Z s Z
c≈
cp) ( )
( s = O s
−1P
r) ( )
( s = O s
−1Z
:
per s → ∞
Convoluzioni: metodo dei trapezi
n n
cr
n
t z i S
v ≅ Δ
0+
2
~
∑
−=
Δ
−Δ +
=
11 0
2
n
k
k k n cr n
cr
n
t z i t z i
S
( ) t i t
z t
v ( ) =
cr( ) ∗
~
∑
−=
−
−
−
+ Δ
= Δ
11
) ( ) ( )
( 0 )
(
ˆ
2
~
nk
m k k n r m
n r
n
t p y t p y
w
( )
) ( )
( 2 )
(
) ( )
~ (
t w t
v t
y
t y t
p t
w
−
=
∗
= p
r( t ) = L
−1{ e
−sT[ P ( s ) − P
p( s )] } t
m T
t n
t = Δ = Δ
+
− R1
j(t) R2
Rc
+−
Rc
+
) − 1(t w
+
− )
1(t
i i2(t)
)
1(t
v w2(t) v2(t)
) (t
zcr zcr(t)
i2n
i1n
+
−
R1 R2
Reff
+−
Reff
+
−
+
− jn v1n e1n e2n v2n
t z R
R
eff=
c+ 0 . 5
rc0Δ
( )
⎪ ⎪
⎪ ⎪
⎪
⎩
⎪ ⎪
⎪ ⎪
⎪
⎨
⎧
Δ Δ +
+
=
Δ Δ +
+
=
= +
+ +
=
∑
∑
−
=
−
−
=
−
1
1
2 0
2 2
2
1
1
1 0
1 1
1
2 2
2 1
1 1
1 1
2 2
n
k
k k n cr n
cr n
n
n
k
k k n cr n
cr n
n
n eff n
n eff n
eff n
i z t
i t z w
e
i z t
i t z w
e
R e R
v R
j R R e
R
v R
R
cy
cr(t )
) ( t p
rEsempio: linea singola RLGC
Esempio: effetto di distorsione del segnale introdotto dalle perdite
cm d
cm mS
G
m R
cm nH
L
cm pF
C
5
/ 5
. 0
/ 5 . 2
/ 10
/ 4
=
=
Ω
=
=
Circuito equivalente =
Esempio: effetto di distorsione del segnale introdotto dalle perdite
-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 V
lossless RLGC skin-effect
Simulazione di linee di
trasmissione multiconduttore
Due casi possibili:
Dielettrico omogeneo: n modi TEM con la stessa velocità
Dielettrico non-omogeneo: n modi TEM con la velocità diverse
( ) t I ( t T )
p = δ −
( ) ( ) ∑ ( )
=
− = δ −
Δ
= t n h h t Th
t
p Tv Tv1 e sT
Linee ad n+1 conduttori con ritardi diversi
YC
1
_ 2
n
n+1
1
_ 2
n
n+1 YC
)]
( )
( [
) ( )
(
)]
( )
( [
) ( )
(
1 1
2
2 2
1
t t
t p t
t t
t p t
j i
j
j i
j
+
−
∗
=
+
−
∗
=
2 2
) ( )
( )
( )
(
) ( )
( )
( )
(
2 2
c 2
1 1
c 1
t t
t y t
t t
t y t
j v
i
j v
i
+
∗
=
+
∗
=
Funzioni descrittive:
operatore di propagazione e ammettenza caratteristica
Parametri indipendenti dalla frequenza
C G
) Y(
L R
) Z(
s s
s s
+
= +
=
Parametri dipendenti dalla frequenza (skin-effect)
C G
) Y(
L K
R )
Z(
s s
s s s
+
=
+ +
=
) Y(
) ( Y ) ( Z )
( Y )
(t s L 1 1 s 1 s s
yc ↔L c = − − −
) ( )
) (
( )
(t P s e d Y s Z s
p ↔L = −
Non è possibile valutarle analiticamente
Non è possibile ricorrere ad una procedura
di inversione completamente numerica, per
la presenza di termini irregolari
R = diag(41.67, 41. 67, 41.67) [Ω] / [m ] G = diag(0.59, 0.59, 0. 59) [mS ] / [m ]
L =
2. 42 0. 69 0. 64 0.69 2. 36 0. 69 0.64 0. 69 2. 42
[ μ H] / [m] C =
21. 0 −12.3 −4. 01
−12.3 26. 2 −12.3
−4.01 −12.3 21. 0
[pF] / [m ]
T i [ns]
μ
i/ 10
7[s
−1]
1.9879 8.1404
3
2.3437 6.6667
2
8.8272 3.6404
1 modo
Esempio: linea RLGC a 4 conduttori
Esempio:
spettro di ampiezza delle funzioni descrittive
0 0.1 0.2 0.3 GHz 0.4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
11 12 13 23 33
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
GHz 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
mS
11 12 13 23 33
) ( f P
)
( f
Y
cValutazione semi-analitica delle risposte impulsive di una linea multiconduttore
) ( )
( )
( t y t y t
y
c=
cp+
cr) ( )
( )
( s Y s Y s
Y
c=
cp+
crP ( s ) = P
p( s ) + P
r( s )
) ( )
( )
( t p t p t
p =
p+
r∞
→
≈ P s s
s
P ( )
p( ) per
∞
→
≈ Y s s
s
Y
c( )
cp( ) per
∞
→
= O s
−s
s
P
r( ) (
1) per
∞
→
= O s
−s
s
Y
cr( ) (
1) per
Parte principale di P(s)
∑
=−
−
=
ni
i i
T
p
( t ) e A ( t T )
P
i i1 μ
δ
( )
i( ) T) ( i i
A = u
0w
02 c
i2 (i1)i
= λ μ
−1
= U W
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
5x 106
11 12 13 22 23
) (t p
r0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 GHz4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
11 12 13 23 33
) ( f P
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
11 12 13 23 33