Por qué el acoplamiento de impedancias es importante en una línea de transmisión

¿Sabes cuál será la longitud crítica de estas líneas de transmisión?

Al trabajar con señales analógicas o digitales, lo más probable es que se necesites acoplar las impedancias entre la fuente, la línea de transmisión y la carga. El acoplamiento de impedancias en una línea de transmisión eléctrica es importante básicamente porque permite garantizar que una señal de 5V que se envíe por la línea sea detectada como una señal de 5V por el receptor.  Si entiendes por qué es importante el acoplamiento en líneas de transmisión eléctricas, podrás empezar a entender cuándo debe hacerse, y si es más conveniente hacerlo en el extremo del receptor o del emisor.

Cuando hablamos de acoplamiento de impedancias, nos referimos a establecer las impedancias del emisor, la línea de transmisión y el receptor al mismo valor. Este suele ser de 50 Ohm para líneas de transmisión únicas, aunque los estándares de señalización diferencial pueden especificar diferentes valores para el acoplamiento de impedancias. He aquí por qué el acoplamiento de impedancias es importante en una línea de transmisión eléctrica y cómo implementar unas impedancias consistentes en las interconexiones de una PCB.

Cómo acoplar la impedancia en una interconexión: 3 casos

El objetivo del acoplamiento de impedancias en una línea de transmisión eléctrica es obtener una impedancia consistente en toda la interconexión. Cuando las impedancias del emisor, el receptor y la línea de transmisión están acopladas suceden algunas cosas importantes, que se describirán a continuación. Los siguientes casos deben ser abordados al estudiar la importancia del acoplamiento de impedancias en una línea de transmisión eléctrica:

• Las impedancias del emisor, la línea de transmisión y el receptor son iguales. Este puede considerarse un caso de acoplamiento perfecto. En este caso, no hay reflexiones en la línea de transmisión (ni a la entrada ni a la salida de la línea), y se transfiere un máximo de potencia hacia el receptor. La tensión en la señal solamente disminuye a causa de pérdidas por dispersión, absorción y pérdidas por DC y efecto pelicular.
• El emisor y el receptor están acoplados, pero la línea de transmisión está desacoplada. En este caso, ocurrirá algo de reflexión tan pronto como la señal entre a la línea de transmisión. En otras palabras, si la línea y el emisor no están acoplados, una parte de la señal emitida se reflejará hacia el emisor. Esto impide que parte de la potencia se transmita hacia la línea de transmisión. De manera similar, habrá una reflexión en el extremo receptor y la señal viajará de vuelta al emisor.

La impedancia de entrada determinará si la transferencia de potencia es máxima entre el emisor y el receptor. Si la línea de transmisión es corta, entonces la impedancia de la línea de transmisión será similar a la impedancia de la carga cuando la línea de transmisión es muy corta. Es posible determinar la impedancia de entrada exacta (definida como la impedancia en la línea de transmisión después de la primera reflexión de la señal) mediante las siguientes ecuaciones:

Impedancia de entrada para líneas de transmisión con y sin pérdidas

• El emisor, el receptor y la línea de transmisión están desacoplados. En este caso, no importa la longitud de la línea de transmisión; la señal se reflejará continuamente en toda la longitud de la línea, cosa que producirá un indeseable incremento escalonado en las tensiones detectadas por el receptor. No será posible transferir la potencia máxima entre el emisor y el receptor, incluso si la línea de transmisión es muy corta, porque el emisor y el receptor están desacoplados.

Por qué el acoplamiento de impedancias es importante en una línea de transmisión: las reflexiones

Cuando el emisor y la línea de transmisión están acoplados, se elimina la reflexión en la entrada de la línea de transmisión. Sin embargo, cuando la línea de transmisión no está acoplada con el receptor en este caso, seguirá habiendo una reflexión en el receptor. De manera similar, si la línea está desacoplada del emisor y del receptor, se perderá parte de la señal debido a la reflexión. El establecer la impedancia de la línea de transmisión, el emisor y el receptor a la misma potencia te garantiza una máxima transmisión de potencia al receptor. Ten en cuenta que algunos estándares de transmisión de señales no se basan en una transferencia máxima de potencia, sino en una alta impedancia de entrada para detectar una señal en la entrada (por ejemplo en la LVDS). 

El acoplamiento de impedancias en una interfaz entre dos porciones de una interconexión evita que ocurran reflexiones en esa interfaz. Cada vez que ocurre un reflejo en una discontinuidad de impedancias (es decir, en la interfaz línea-emisor o en la interfaz emisor-fuente), ocurre un cambio abrupto en el nivel de la señal, que produce una respuesta transitoria en la interconexión. El reflejo resultante aparece como una oscilación (es decir, sobreelongación/subelongación de la señal) superpuesta al nivel deseado de la señal, así como una posible respuesta escalonada (para señales digitales). Las reflexiones crean otro problema, dependiendo de si estamos trabajando con señales digitales o analógicas.

Reflexiones con señales digitales

Las reflexiones repetitivas en una línea de transmisión no acoplada pueden producir una respuesta escalonada en la tensión detectada en el receptor y en la fuente. Esta respuesta escalonada puede manifestarse como un incremento gradual en el nivel de la señal (ver el ejemplo indicado a continuación) o en una respuesta escalonada alternante. Ambas cosas interfieren con las posteriores señales de entrada. Como resultado, la tensión que se detecta en el receptor puede variar con el tiempo, tal como se indica en el ejemplo de abajo. Es necesario tener en cuenta que se ha omitido la respuesta transitoria típica superpuesta al cambio de voltaje generado en cada reflexión, para mayor claridad.

Ejemplo de respuesta escalonada para una señal digital de alta velocidad en una línea de transmisión desacoplada

Reflexiones con señales analógicas

Tal como ocurre con las señales digitales, que pueden reflejarse repetidamente en una línea de transmisión cuando el receptor y la línea de transmisión están desacoplados, esto también se aplica a las señales analógicas. Existen ciertas frecuencias que generan resonancias de onda estacionaria en una línea cuando se emiten con una señal analógica. Estas frecuencias serán un múltiplo entero de alguna frecuencia fundamental más baja. Esto genera una fuerte radiación de una línea de transmisión a ciertas frecuencias. Es importante considerar que, si las líneas de transmisión son muy cortas, esto seguirá ocurriendo cuando el emisor y el receptor no estén acoplados. La diferencia es que las frecuencias relevantes serán mucho mayores para adecuarse a las longitudes de onda más cortas en la línea de transmisión. 

La presencia de ondas estacionarias en una línea de transmisión implica que tus líneas actuarán igual que estas antenas

Conclusiones sobre el acoplamiento de impedancias en una línea de transmisión

Aun si la línea de transmisión es corta, se necesita que la impedancia en el receptor y el emisor estén acopladas para evitar las reflexiones repetitivas y las oscilaciones en una línea de transmisión. Además, la longitud exacta que define una "línea corta" no es fija; depende la tolerancia para el desacoplamiento de las impedancias en una interconexión. A medida que más y más dispositivos operan a menores niveles y mayores tasas de flanco, los desacoplamientos permisibles se vuelven cada vez más pequeños. Esto crea una necesidad de contar con un enrutamiento de impedancia controlada durante la fase de diseño.

Hemos descrito implícitamente la transmisión de señales únicas, pero los mismos argumentos aplican a la señalización diferencial; solo hace falta reemplazar el término "impedancia característica" por "impedancia diferencial" y los mismos conceptos se aplicarán, aunque los cálculos sean un poco diferentes. Continuaremos tratando estos temas en posteriores artículos para ayudar a los diseñadores de PCB a tomar las decisiones adecuadas rápidamente con arquitecturas de interconexión, estándares de transmisión de señales y esquemas de modulación más avanzados.

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