Warum Leitungsanpassung in einer Übertragungsleitung wichtig ist

Abbildung zweier Hochstromleitungen: Kennen Sie die kritische Länge der Übertragungsleitung für diese Leiterbahnen?

Unabhängig davon, ob Sie mit digitalen oder analogen Signalen arbeiten, müssen Sie höchstwahrscheinlich eine Leistungsanpassung durchführen, das heißt Sie müssen die Impedanzen zwischen einer Quelle, einer Übertragungsleitung und einer Last anpassen. Der Impedanzabgleich ist in einer Übertragungsleitung wichtig, um sicherzustellen, dass ein 5 V-Signal, das die Leitung versendet, als 5 V-Signal am Empfänger angezeigt wird. Wenn Sie verstehen, warum die Anpassung von Übertragungsleitungen so wichtig ist, können Sie auch nachvollziehen, wann dies entweder am Treiber- oder am Empfängerende der Leitung erforderlich ist.

Wenn wir über Impedanzabgleich in der Elektrotechnik sprechen, beziehen wir uns auf die Einstellung des Treibers, der Übertragungsleitung und der Empfängerimpedanzen auf denselben Wert. Bei Single-Ended-Übertragungsleitungen beträgt dieser Wert in der Regel 50 Ohm, obwohl die Normen für Differenzsignale andere Werte für die Impedanzanpassung vorschreiben können. Hier erfahren Sie, warum die Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung wichtig ist und wie man eine konsistente Impedanz in Leiterplattenverbindungen implementiert.

Wie Leistungsanpassung funktioniert: drei Fälle

Das Ziel der Leistungsanpassung in einer Übertragungsleitung ist es, eine einheitliche Impedanz in der gesamten Verbindung zu erreichen. Wenn die Impedanzen des Treibers, des Empfängers und der Übertragungsleitung aufeinander abgestimmt sind, passieren einige wichtige Dinge, die im Folgenden erläutert werden. Bei der Erörterung der Frage, warum die Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung wichtig ist, sollten die folgenden Fälle berücksichtigt werden:

• Treiber, Leitung und Empfänger sind auf die gleiche Impedanz abgestimmt. Dies kann als ein Fall mit perfekter Übereinstimmung angesehen werden. In diesem Fall gibt es keine Reflexionen entlang der Leitung (weder am Leitungseingang noch am Ausgang), und die maximale Leistung wird flussabwärts an den Empfänger übertragen. Die Spannung im Signal nimmt nur aufgrund von Streuverlusten, Absorption und Gleichstrom- und Skineffektverlusten ab.

• Treiber und Empfänger sind aufeinander abgestimmt, aber die Leitung nicht. In diesem Fall kommt es zu einer gewissen Reflexion, sobald das Signal in die Übertragungsleitung eingespeist wird. Mit anderen Worten: Wenn die Leitung nicht an den Treiber angepasst ist, wird ein Teil des Signals in den Treiber zurückreflektiert. Dadurch wird verhindert, dass ein Teil des Stroms in die Übertragungsleitung gelangt. Auf der Empfängerseite kommt es ebenfalls zu einer Reflexion, und das Signal wird zum Treiber zurückgeführt.

Die Eingangsimpedanz bestimmt, ob maximale Leistung vom Treiber zum Empfänger übertragen wird. Im Falle einer kurzen Übertragungsleitung sieht die Impedanz der Übertragungsleitung wie die Impedanz der Last aus, wenn die Übertragungsleitung sehr kurz ist. Die Frage dieser kritischen Länge wird in einem anderen Artikel behandelt. Sie können die genaue Eingangsimpedanz (definiert als die Impedanz der Übertragungsleitung nach der ersten Signalreflexion) mit den folgenden Gleichungen bestimmen:

Eingangsimpedanzgleichungen für eine Übertragungsleitung

• Treiber, Empfänger und Leitung stimmen nicht überein. In diesem Fall spielt es keine Rolle, wie lang die Übertragungsleitung ist; auf dem Weg des Signals entlang der Leitung kommt es zu ständigen Reflexionen, die zu einem unerwünschten treppenförmigen Anstieg der vom Empfänger wahrgenommenen Spannung führen. Sie werden die maximale Leistung des Treibers nicht an den Empfänger übertragen, selbst wenn die Leitung sehr kurz ist, da der Treiber und der Empfänger nicht übereinstimmen.

Die Bedeutung der Leistungsanpassung für eine Übertragungsleitung

Wenn Treiber und Übertragungsleitung aufeinander abgestimmt sind, vermeiden Sie eine Reflexion am Eingang der Übertragungsleitung. Wenn die Leitung jedoch nicht auf den Empfänger abgestimmt ist, entsteht weiterhin eine Reflexion am Empfänger. Auch wenn die Leitung nicht richtig auf Treiber und Empfänger abgestimmt ist, geht ein Teil des Signals durch Reflexion verloren. Indem Sie die Impedanz von Leitung, Treiber und Empfänger auf die gleiche Leistung einstellen, können Sie die maximale Leistung an den Empfänger übertragen. Beachten Sie, dass einige Signalisierungsnormen keine maximale Leistungsübertragung, sondern stattdessen eine hohe Eingangsimpedanz erfordern, um ein Signal am Eingang zu erfassen (z. B. LVDS).

Durch Impedanzanpassung an der Schnittstelle zwischen zwei Verbindungskomponenten können Sie Reflexionen an dieser Schnittstelle verhindern. Jedes Mal, wenn eine Reflexion bei einer Impedanzdiskontinuität auftritt (z. B. an der Treiberleitungs- oder der Treiberquellen-Schnittstelle), kommt es zu einer abrupten Änderung des Signalpegels, die ein Einschwingverhalten in der Verbindung verursacht. Die entsprechende Reflexion tritt in Form eines Schwingens auf (also Über-/Unterschwingung), das den gewünschten Signalpegel überlagert. Darüber hinaus kann es bei digitalen Signalen zu einer treppenförmigen Spannung kommen. Reflexionen können noch ein weiteres Problem verursachen – je nachdem, ob wir mit digitalen oder analogen Signalen arbeiten.

Reflexionen mit digitalen Signalen

Wiederholtes Hin- und Herreflektieren in einer nicht abgestimmten Übertragungsleitung kann eine treppenförmige Reaktion in der Spannung erzeugen, die am Empfänger und an der Quelle gemessen wird. Diese treppenförmige Reaktion kann als stetiger Anstieg des Signalpegels (siehe Beispiel unten) oder als auf- und absteigende treppenförmige Reaktion auftreten. Beide Varianten stören die darauffolgenden Eingangssignale. Dementsprechend kann die Spannung, die am Empfänger gemessen wird, mit der Zeit variieren, wie im folgenden Beispiel gezeigt. Hinweis: Das normale Einschwingverhalten – das zusätzlich zu der Spannungsänderung durch Reflexion auftritt – wurde hier ausgelassen, um das Beispiel zu verdeutlichen.

Beispiel für eine treppenförmige Reaktion bei einem digitalen High-Speed-Signal in einer nicht abgestimmten Übertragungsleitung

Reflexionen mit analogen Signalen

Nicht nur digitale Signale können in Übertragungsleitungen wiederholte Reflexionen erzeugen, wenn Empfänger und Leitung nicht aufeinander abgestimmt sind – dasselbe gilt für analoge Signale. Bei analogen Signalen erzeugen bestimmte Frequenzen stehende Wellenresonanzen in der Leitung. Diese Frequenzen stellen immer ein ganzzahliges Vielfaches der niedrigsten Grundfrequenz dar. Bei bestimmten Frequenzen führt dieses Verhalten zu einer starken Strahlung der Übertragungsleitung. Bei sehr kurzen Übertragungsleitungen ist dies auch bei einer fehlenden Anpassung von Treiber und Empfänger der Fall. Hierbei sind die relevanten Frequenzen jedoch viel größer, um die kürzere Wellenlänge der Übertragungsleitung zu unterstützen.

Stehende Wellen in einer Übertragungsleitung bedeuten, dass sich Ihre Leiterbahnen scheinbar wie diese Antennen verhalten werden.

Das Fazit

Selbst bei kurzen Leitungen müssen Sie eine Impedanzanpassung mit Treiber und Empfänger durchführen, um wiederholte Reflexionen und Schwingungen in der Übertragungsleitung zu verhindern. Die exakte Länge, unter der eine Leitung als "kurz" gilt, ist nicht genau festgelegt. Sie hängt von der zulässigen Impedanzabweichung entlang einer Verbindung ab. Je mehr Geräte mit niedrigeren Pegeln und schnelleren Signalflanken betrieben werden, desto kleiner werden die erlaubten Abweichungen. Deshalb ist während der Designphase ein genaueres impedanzgesteuertes Routing erforderlich.

Wir haben in diesem Dokument implizit einseitige Signale beschrieben. Dasselbe gilt jedoch für differentielle Signale. Ersetzen Sie einfach den Begriff "charakteristische Impedanz" durch "differentielle Impedanz" – die Konzepte sind dieselben. Wir befassen uns in den kommenden Artikeln weiter mit diesen Themen, um Entwickler dabei zu unterstützen, schnell die richtigen Entscheidungen zu treffen – mit fortschrittlicheren Verbindungsarchitekturen, Signalisierungsnormen und Modulationsschemata.

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