Por Que a Correspondência de Impedância é Importante em Linhas de Transmissão

Você sabe qual é o comprimento crítico da linha de transmissão para esses traços?

Seja trabalhando com sinais digitais ou analógicos, é muito provável que você precise igualar as impedâncias entre uma fonte, linha de transmissão e carga. A razão pela qual a correspondência de impedância é importante em linhas de transmissão é para garantir que um sinal de 5 V enviado pela linha seja visto como um sinal de 5 V no receptor. Se você entender por que a correspondência de impedância na linha de transmissão é importante, você pode começar a entender quando precisa fazer isso, seja nas extremidades do transmissor ou do receptor da linha.

Quando falamos sobre correspondência de impedância, estamos nos referindo a definir as impedâncias do transmissor, linha de transmissão e receptor para o mesmo valor. Isso geralmente é 50 Ohms para linhas de transmissão de extremidade única, embora padrões de sinalização diferencial possam especificar valores diferentes para a correspondência de impedância. Aqui está o porquê a correspondência de impedância é importante em uma linha de transmissão e como implementar uma impedância consistente em interconexões de PCB.

Como uma Interconexão é Correspondida por Impedância: 3 Casos

O objetivo do casamento de impedâncias em linhas de transmissão é estabelecer uma impedância consistente ao longo de um interconector. Quando as impedâncias do driver, receptor e linha de transmissão estão casadas, algumas coisas importantes acontecem, as quais serão discutidas abaixo. Os seguintes casos devem ser abordados ao discutir por que o casamento de impedâncias é importante em linhas de transmissão:

• O driver, a linha e o receptor são casados com a mesma impedância. Isso pode ser considerado um caso de casamento perfeito. Neste caso, não há reflexões ao longo da linha (seja na entrada da linha ou saída), e a máxima potência é transferida a jusante para o receptor. A voltagem no sinal apenas diminui devido a perdas por dispersão, absorção e perdas por efeito DC e de pele.

• O driver e o receptor são casados, mas a linha está desajustada. Neste caso, haverá alguma reflexão assim que o sinal for lançado na linha de transmissão. Em outras palavras, quando a linha não está casada com o driver, parte do sinal originado é refletido de volta para o driver. Isso efetivamente impede que parte da potência seja transmitida para a linha de transmissão. Da mesma forma, haverá uma reflexão na extremidade do receptor, e o sinal viajará de volta para o driver.

A impedância de entrada determinará se a máxima potência é transferida do driver para o receptor. No caso de linhas de transmissão curtas, a impedância da linha de transmissão parecerá com a impedância da carga quando a linha de transmissão for muito curta. A questão deste comprimento crítico é abordada em outro artigo. Você pode determinar a exata impedância de entrada (definida como a impedância da linha de transmissão após a primeira reflexão do sinal) com as seguintes equações:

Impedância de entrada para linhas de transmissão com perdas e sem perdas

• O driver, o receptor e a linha estão todos desajustados. Neste caso, não importa qual seja o comprimento da linha de transmissão; haverá reflexões contínuas à medida que o sinal percorre a linha, produzindo um indesejável aumento em degraus na tensão vista pelo receptor. Você não transferirá a máxima potência do driver para o receptor, mesmo que a linha seja muito curta, porque o driver e o receptor estão desajustados.

Por que a Correspondência de Impedância é Importante em Linhas de Transmissão: Reflexões

Quando o driver e a linha de transmissão estão compatibilizados, você suprime uma reflexão na entrada da linha de transmissão. No entanto, quando a linha não está compatibilizada com o receptor neste caso, ainda ocorre uma reflexão no receptor. Da mesma forma, se a linha estiver incompatível tanto com o driver quanto com o receptor, você efetivamente perde parte do sinal devido à reflexão. Definir a impedância da linha, do driver e do receptor com o mesmo valor garante a transferência do sinal para o receptor.

A compatibilização de impedâncias em uma interface entre duas partes de uma interconexão previne reflexões nessa interface. Sempre que há uma reflexão em uma descontinuidade de impedância (ou seja, a interface linha-driver ou a interface driver-fonte), ocorre uma mudança abrupta no nível do sinal, que produz uma resposta transitória na interconexão. A reflexão resultante aparece como um toque (ou seja, sobrepasso/subpasso) que é superposto em cima do nível de sinal desejado, bem como uma possível resposta em degraus (em sinais digitais). Reflexões criam outro problema, dependendo de estarmos trabalhando com sinais digitais ou analógicos.

Reflexões com Sinais Digitais

Reflexos repetidos de ida e volta em linhas de transmissão incompatíveis podem produzir uma resposta em degraus na tensão vista no receptor e na fonte. Esta resposta em degraus pode aparecer como um aumento gradual no nível do sinal (veja abaixo para um exemplo) ou uma resposta em estilo de degraus para cima e para baixo, ambos interferindo com os sinais de entrada subsequentes. Como resultado, a tensão vista no receptor pode variar ao longo do tempo, conforme mostrado no exemplo abaixo. Note que a típica resposta transitória em cima da mudança de tensão produzida em cada reflexão foi omitida para clareza.

Exemplo de resposta em degraus para um sinal digital de alta velocidade em uma linha de transmissão incompatível

Reflexões com Sinais Analógicos

Assim como os sinais digitais podem refletir repetidamente em linhas de transmissão quando o receptor não está em conformidade com a linha, o mesmo se aplica aos sinais analógicos. Existem certas frequências que formarão ressonâncias de ondas estacionárias em uma linha quando impulsionadas com um sinal analógico. Essas frequências serão algum múltiplo inteiro de alguma frequência fundamental mais baixa. Isso causa uma forte radiação de uma linha de transmissão em frequências particulares. Note que, no caso de linhas de transmissão muito curtas, isso ainda ocorrerá quando o driver e o receptor estiverem desajustados, as frequências relevantes serão apenas muito maiores para acomodar o comprimento de onda mais curto na linha de transmissão.

Ondas estacionárias em uma linha de transmissão significam que seus traços parecerão agir como essas antenas

A Conclusão

Mesmo que a linha seja curta, você ainda precisa combinar a impedância do driver e do receptor para evitar reflexos repetidos e oscilações em linhas de transmissão. Além disso, o comprimento exato que define quando uma linha é considerada curta não é fixo; depende da tolerância de desajuste de impedância ao longo de um interconexão. À medida que mais dispositivos operam em níveis mais baixos e com taxas de transição mais rápidas, os desajustes permitidos estão se tornando cada vez mais críticos. Isso necessita de um roteamento controlado por impedância mais preciso durante a fase de design.

Descrevemos implicitamente a sinalização de extremidade única aqui, mas a mesma discussão se aplica à sinalização diferencial; basta substituir o termo "impedância característica" por "impedância diferencial", e os mesmos conceitos se aplicarão. Continuaremos a olhar para essas questões em artigos futuros para ajudar os projetistas a tomar rapidamente as decisões corretas com arquiteturas de interconexão mais avançadas, padrões de sinalização e esquemas de modulação.

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