Dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w liniach transmisyjnych

Czy znasz krytyczną długość linii transmisyjnej dla tych ścieżek?

Bez względu na to, czy pracujesz z sygnałami cyfrowymi, czy analogowymi, najprawdopodobniej będziesz musiał dopasować impedancje między źródłem, linią transmisyjną a obciążeniem. Powodem, dla którego dopasowanie impedancji jest ważne w liniach transmisyjnych, jest zapewnienie, że sygnał 5 V wysłany linią jest odbierany jako sygnał 5 V przez odbiornik. Jeśli rozumiesz, dlaczego dopasowanie linii transmisyjnej jest ważne, możesz zacząć rozumieć, kiedy musisz to robić, czy to na końcu linii przy sterowniku, czy odbiorniku.

Gdy mówimy o dopasowaniu impedancji, odnosimy się do ustawienia impedancji sterownika, linii transmisyjnej i odbiornika na tę samą wartość. Zazwyczaj jest to 50 omów dla jednokierunkowych linii transmisyjnych, chociaż standardy sygnałów różnicowych mogą określać inne wartości dla dopasowania impedancji. Oto dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w linii transmisyjnej i jak zaimplementować spójną impedancję w połączeniach PCB.

Jak dopasowuje się impedancję połączenia: 3 przypadki

Celem dopasowania impedancji w liniach transmisyjnych jest ustawienie spójnej impedancji na całej długości połączenia. Gdy impedancje nadajnika, odbiornika i linii transmisyjnej są dopasowane, dochodzi do kilku ważnych zjawisk, które zostaną omówione poniżej. Następujące przypadki powinny być rozpatrzone podczas dyskusji, dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w liniach transmisyjnych:

• Nadajnik, linia i odbiornik są dopasowane do tej samej impedancji. Można to uznać za przypadek z idealnym dopasowaniem. W takim przypadku nie ma żadnych odbić wzdłuż linii (ani na wejściu do linii, ani na wyjściu), a maksymalna moc jest przekazywana dalej do odbiornika. Napięcie w sygnale zmniejsza się tylko z powodu strat rozproszeniowych, absorpcji oraz strat DC i efektu skórnego.

• Nadajnik i odbiornik są dopasowane, ale linia jest niedopasowana. W tym przypadku, jak tylko sygnał zostanie wprowadzony do linii transmisyjnej, pojawią się pewne odbicia. Innymi słowy, gdy linia nie jest dopasowana do nadajnika, część sygnału źródłowego jest odbijana z powrotem do nadajnika. Efektywnie zapobiega to przekazywaniu części mocy do linii transmisyjnej. Podobnie, na końcu odbiornika również wystąpi odbicie, a sygnał będzie podróżować z powrotem do nadajnika.

Impedancja wejściowa zadecyduje o tym, czy maksymalna moc zostanie przekazana od nadajnika do odbiornika. W przypadku krótkich linii transmisyjnych, impedancja linii transmisyjnej będzie wyglądać jak impedancja obciążenia, gdy linia transmisyjna jest bardzo krótka. Kwestia tej krytycznej długości jest omówiona w innym artykule. Możesz określić dokładną impedancję wejściową (zdefiniowaną jako impedancja linii transmisyjnej po pierwszym odbiciu sygnału) za pomocą następujących równań:

Impedancja wejściowa dla linii transmisyjnych stratnych i bezstratnych

• Nadajnik, odbiornik i linia są niezgodne. W tym przypadku nie ma znaczenia, jaką długość ma linia transmisyjna; będą występować ciągłe odbicia, gdy sygnał przemieszcza się wzdłuż linii, co spowoduje niepożądany stopniowy wzrost napięcia widzianego przez odbiornik. Nie przekażesz maksymalnej mocy od nadajnika do odbiornika, nawet jeśli linia jest bardzo krótka, ponieważ nadajnik i odbiornik są niezgodne.

Dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w liniach transmisyjnych: Odbicia

Gdy sterownik i linia transmisyjna są dopasowane, tłumisz odbicie na wejściu linii transmisyjnej. Jednakże, gdy linia nie jest dopasowana do odbiornika, w tym przypadku nadal występuje odbicie przy odbiorniku. Podobnie, jeśli linia jest niedopasowana zarówno do sterownika, jak i odbiornika, efektywnie tracisz część sygnału z powodu odbicia. Ustawienie impedancji linii, sterownika i odbiornika na tę samą wartość zapewnia przekazanie sygnału do odbiornika.

Dopasowanie impedancji na interfejsie między dwoma częściami połączenia zapobiega odbiciom na tym interfejsie. Za każdym razem, gdy występuje odbicie na nieciągłości impedancji (tj. interfejsie sterownik-linia lub interfejsie sterownik-źródło), następuje nagła zmiana poziomu sygnału, co powoduje odpowiedź przejściową w połączeniu. Powstałe odbicie pojawia się jako dzwonienie (tj. przesterowanie/niestabilność), które jest nakładane na pożądany poziom sygnału, a także możliwa odpowiedź schodkowa (w sygnałach cyfrowych). Odbicia tworzą kolejny problem, w zależności od tego, czy pracujemy z sygnałami cyfrowymi czy analogowymi.

Odbicia przy Sygnałach Cyfrowych

Powtarzające się odbicia wsteczne na niedopasowanych liniach transmisyjnych mogą wywołać odpowiedź w postaci schodkowej na napięciu obserwowanym przez odbiornik i źródło. Ta odpowiedź schodkowa może manifestować się jako stopniowy wzrost poziomu sygnału (patrz poniżej przykład) lub odpowiedź w stylu schodków w górę i w dół, obie zakłócające kolejne nadchodzące sygnały. W rezultacie, napięcie widziane przez odbiornik może zmieniać się w czasie, jak pokazano w poniższym przykładzie. Należy zauważyć, że typowa odpowiedź przejściowa na zmianę napięcia wywołaną przy każdym odbiciu została pominięta dla jasności.

Przykładowa odpowiedź schodkowa dla szybkiego sygnału cyfrowego na niedopasowanej linii transmisyjnej

Odbicia przy sygnałach analogowych

Tak jak sygnały cyfrowe mogą wielokrotnie odbijać się na liniach transmisyjnych, gdy odbiornik nie jest dopasowany do linii, to samo dotyczy sygnałów analogowych. Istnieją pewne częstotliwości, które będą tworzyć rezonanse fal stojących na linii, gdy są pobudzane sygnałem analogowym. Te częstotliwości będą pewną wielokrotnością jakiejś najniższej podstawowej częstotliwości. Powoduje to silne promieniowanie z linii transmisyjnej na określonych częstotliwościach. Należy zauważyć, że w przypadku bardzo krótkich linii transmisyjnych, zjawisko to będzie miało miejsce nawet gdy nadajnik i odbiornik są niezgodne, odpowiednie częstotliwości będą po prostu znacznie większe, aby dostosować się do krótszej długości fali na linii transmisyjnej.

Fale stojące na linii transmisyjnej oznaczają, że Twoje ścieżki będą wydawać się działać jak te anteny

Podsumowanie

Nawet jeśli linia jest krótka, nadal musisz dopasować impedancję nadajnika i odbiornika, aby zapobiec powtarzającym się odbiciom i dzwonieniu na liniach transmisyjnych. Ponadto, dokładna długość, która definiuje, kiedy linia jest krótka, nie jest ściśle określona; zależy od dopuszczalnego niedopasowania impedancji wzdłuż połączenia. Ponieważ coraz więcej urządzeń pracuje na niższych poziomach i z szybszymi prędkościami zboczy, dopuszczalne niedopasowania stają się coraz bardziej minimalne. To wymaga bardziej dokładnego dopasowania impedancji trasowania w fazie projektowania.

Dotknęliśmy niejako tematu sygnałowania jednostronnego, ale dokładnie ta sama dyskusja dotyczy sygnałowania różnicowego; wystarczy zastąpić termin "impedancja charakterystyczna" terminem "impedancja różnicowa", a te same koncepcje będą miały zastosowanie. Będziemy kontynuować omawianie tych kwestii w nadchodzących artykułach, aby pomóc projektantom szybko podejmować właściwe decyzje dotyczące bardziej zaawansowanych architektur połączeń, standardów sygnalizacji i schematów modulacji.

Mocne narzędzia do projektowania układów warstwowych i trasowania w Altium Designer^® są zintegrowane z dokładnym rozwiązaniem pola, które szybko określa impedancję ścieżek podczas budowy płytki. Pomaga to zapewnić utrzymanie ultra-dokładnego dopasowania impedancji podczas trasowania połączeń na całej płytce PCB. Te narzędzia są zbudowane na bazie zjednoczonego silnika projektowania opartego na regułach, który współpracuje z wieloma narzędziami symulacyjnymi. Będziesz miał również dostęp do kompletnego zestawu funkcji produkcyjnych, planowania i dokumentacji na jednej platformie.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.