Perché l'Adattamento di Impedenza è Importante in una Linea di Trasmissione

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

Traces on a blue PCB

Conosci la lunghezza critica della linea di trasmissione per queste tracce?

Sia che si lavori con segnali digitali o analogici, è assai probabile che sarà necessario adattare le impedenze tra una sorgente, una linea di trasmissione e un carico. 

Il motivo per cui l'adattamento d'impedenza è importante in una linea di trasmissione risiede nel garantire che un segnale a 5 V inviato lungo la linea sia rilevato come un segnale a 5 V in ingresso al ricevitore. 

Se si comprende perché l’adattamento della linea di trasmissione è fondamentale, si può iniziare a capire quando sia necessario eseguirlo, se al lato driver o ricevitore sulla linea.

Quando si parla di adattamento d'impedenza, ci si riferisce all'impostazione delle impedenze di driver, linea di trasmissione e ricevitore su uno stesso valore. 

Solitamente è 50 Ohm per le linee di trasmissione single-ended, sebbene gli standard di segnalazione differenziale possano indicare valori diversi per l'adattamento d'impedenza. 

Ecco perché l'adattamento d'impedenza è importante in una linea di trasmissione e come implementare un’impedenza costante nelle interconnessioni PCB.

Come si Adatta un'Interconnessione all'Impedenza: 3 Casi

L'obiettivo dell'adattamento d'impedenza in una linea di trasmissione è quello di impostare un'impedenza costante per l'intera interconnessione. 

Quando le impedenze di driver, ricevitore e linea di trasmissione sono adattate, si verificano alcune cose importanti che verranno esaminate di seguito. 

I seguenti casi vanno trattati quando si discute del perché l'adattamento d'impedenza è fondamentale in una linea di trasmissione:

  • Il driver, la linea e il ricevitore sono adattati alla stessa impedenza. Questo può essere considerato un esempio con adattamento perfetto. In questo caso, non risultano riflessioni lungo la linea (né all'ingresso della linea, né all'uscita), e la massima potenza viene trasferita in ingresso al ricevitore. 

La tensione del segnale diminuisce solo a causa di perdite di scattering, assorbimento e perdite CC e da effetto pelle.

  • Il driver e il ricevitore sono adattati, ma la linea è disadattata. In questo caso, vi sarà una certa riflessione non appena il segnale viene lanciato nella linea di trasmissione. 

In altre parole, quando la linea non è adattata al driver, una parte del segnale di origine viene riflessa indietro nel driver. Ciò impedisce di fatto la trasmissione di parte della potenza nella linea di trasmissione. Allo stesso modo, vi sarà riflessione al lato ricevitore e il segnale tornerà al driver.

L'impedenza di ingresso determinerà se la massima potenza viene trasferita dal driver al ricevitore. 

Nel caso di una linea di trasmissione breve, l’impedenza della linea di trasmissione apparirà come l’impedenza di carico quando la linea di trasmissione è brevissima. 

Il tema di questa lunghezza critica è affrontato in un altro articolo. È possibile stabilire l'esatta impedenza di ingresso (definita come l'impedenza della linea di trasmissione dopo la prima riflessione di segnale) mediante le seguenti equazioni:

Input impedance equations for a transmission line

Equazioni di impedenza d'ingresso per una linea di trasmissione
 

  • Il driver, il ricevitore e la linea sono tutti disadattati. In questo caso, non importa quale sia la lunghezza della linea di trasmissione; ci saranno continue riflessioni, mentre il segnale viaggia lungo la linea, che causano un indesiderato incremento scalare della tensione rilevata dal ricevitore. 

Non si trasferirà massima potenza dal driver al ricevitore, anche se la linea è molto breve, perché il driver e il ricevitore sono disadattati.

Perché l'Adattamento di Impedenza è Importante in una Linea di Trasmissione: Riflessioni

Quando il driver e la linea di trasmissione sono adattati, si sopprime una riflessione all'ingresso della linea di trasmissione. 

Tuttavia, quando la linea non è adattata al ricevitore, in questo caso, si ha comunque una riflessione al lato ricevitore. 

Parimenti, se la linea non è adattata a driver e ricevitore, si perde di fatto parte del segnale a causa della riflessione. 

L'impostazione dell'impedenza di linea, driver e ricevitore alla stessa potenza garantisce il trasferimento della massima potenza al ricevitore. 

Si noti che alcuni standard di segnalazione non ricorrono al trasferimento della massima potenza, per affidarsi invece a un'impedenza d’ingresso elevata al fine di rilevare un segnale in ingresso (ad es., LVDS).

L’adattamento d’impedenza a livello di interfaccia tra due tratti di un'interconnessione inibisce le riflessioni al lato interfaccia. 

Ogni qualvolta ci sia una riflessione in presenza di discontinuità di impedenza (vale a dire, l'interfaccia driver-linea o l'interfaccia driver-sorgente), si verifica un’improvvisa variazione del livello di segnale, che determina una risposta transitoria nell'interconnessione. 

La riflessione che ne consegue si manifesta come ringing (cioè, overshoot/undershoot) che è sovrapposto al livello di segnale desiderato, nonché con una potenziale risposta scalare (nei segnali digitali). 

Le riflessioni ingenerano un altro problema, a seconda che si lavori con segnali digitali o analogici.

Riflessioni con Segnali Digitali

Ripetute riflessioni di uscita e di ritorno su una linea di trasmissione disadattata possono dar luogo a una risposta scalare nella tensione rilevata al lato ricevitore e sorgente. 

Questa risposta scalare può apparire come un incremento graduale del livello di segnale (si veda in basso per un esempio) oppure come una risposta con uno scalare su e giù ripetuto, entrambi i quali interferiscono con i susseguenti segnali in ingresso.

Pertanto, la tensione rilevata al lato ricevitore è variabile nel tempo, come evidenziato nell'esempio seguente.

Si noti che la caratteristica risposta transitoria, a fronte della variazione di tensione prodotta a ogni riflessione, è stata omessa per maggiore chiarezza.

 Stair-step response in mismatched transmission line voltage

Risposta scalare in tensione di linea di trasmissione disadattata

Esempio di risposta scalare per un segnale digitale ad alta velocità su una linea di trasmissione disadattata

Riflessioni con Segnali Analogici

Proprio come i segnali digitali possono riflettersi ripetutamente su una linea di trasmissione quando il ricevitore non è adattato alla linea, lo stesso vale per i segnali analogici.

Vi sono alcune frequenze che formano risonanze di onde stazionarie su una linea quando trasportate da un segnale analogico. 

Queste frequenze saranno un qualche multiplo intero di una data frequenza fondamentale più bassa. Ciò provoca l’emissione di forti radiazioni da una linea di trasmissione a particolari frequenze. 

Si noti che, nel caso di linee di trasmissione molto brevi, ciò si verificherà ugualmente quando il driver e il ricevitore sono disadattati; le frequenze rilevanti saranno semplicemente molto più ampie per assecondare la lunghezza d'onda più corta sulla linea di trasmissione.

Antennas on top of a house

Antenne sul tetto di una casa

Onde stazionarie su una linea di trasmissione comportano che le tracce sembrino agire come queste antenne

Conclusioni

Anche se la linea è breve, è comunque necessario adattare l'impedenza del driver a quella del ricevitore per scongiurare reiterate riflessioni e ringing su una linea di trasmissione. 

Inoltre, la lunghezza esatta che determina quando una linea è breve non è un dato di fatto immutabile; dipende dal disadattamento di impedenza consentito lungo un'interconnessione. 

Dal momento che sempre più dispositivi operano a livelli inferiori e ad edge rate più elevati, i disadattamenti consentiti stanno diventando sempre più impercettibili. 

Ciò richiede un routing a impedenza controllata più accurato durante la fase di progettazione.

Abbiamo in questa sede illustrato implicitamente la segnalazione single-ended, ma lo stesso identico discorso vale per la segnalazione differenziale; basta sostituire l’espressione “impedenza caratteristica" con "impedenza differenziale” e saranno applicabili gli stessi concetti, anche se la matematica sarà un po' diversa. 

Continueremo a esaminare queste problematiche nei prossimi articoli per aiutare i progettisti a prendere rapidamente le giuste decisioni con architetture di interconnessione più avanzate, standard di segnalazione e schemi di modulazione.

I performanti strumenti di progettazione stackup e routing di Altium Designer® sono integrati con un accurato risolutore di campo, che determina immediatamente l'impedenza delle tracce durante la realizzazione del proprio circuito.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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