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

Zachariah Peterson
|  Created: November 17, 2019  |  Updated: November 25, 2020

Traces on a blue PCB

¿Sabes cuál será la longitud crítica de estas líneas?

Al trabajar con señales analógicas o digitales, lo más probable es que se necesite 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 comprende por qué es importante el acoplamiento en líneas de transmisión eléctrica, podrá comenzar 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 y el receptor son iguales. Este puede considerarse un caso de acoplamiento perfecto. En este caso, no hay reflexiones en la línea (ni a la entrada ni a la salida de la línea), y se transfiere un máximo de potencia hacia el receptor. El voltaje 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 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. El tema de esta longitud crítica se trata en otro artículo. 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:

Input impedance equations for a transmission line

Impedancia de entrada para líneas de transmisión con y sin pérdidas

  • El emisor, el receptor y la línea 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 los voltajes detectados por el receptor. No será posible transferir la potencia máxima entre el emisor y el receptor, incluso si la línea 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 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, el emisor y el receptor a la misma potencia te garantiza una máxima transmisión de potencia al receptor. Tenga 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 (p. ej. 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 el voltaje detectado 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, el voltaje 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.

 Stair-step response in mismatched transmission line voltage

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 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. 

Antennas on top of a house

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

Las conclusiones

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 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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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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