Почему согласование импедансов важно в линиях передачи

Знаете ли вы критическую длину линии передачи для этих трасс?

Независимо от того, работаете ли вы с цифровыми или аналоговыми сигналами, скорее всего, вам потребуется согласовать импедансы между источником, линией передачи и нагрузкой. Причина, по которой согласование импедансов важно в линиях передачи, заключается в том, чтобы убедиться, что сигнал 5 В, отправленный по линии, воспринимается как сигнал 5 В на приемнике. Если вы понимаете, почему согласование линии передачи важно, вы можете начать понимать, когда вам нужно это делать, либо на стороне драйвера, либо на стороне приемника линии.

Когда мы говорим о согласовании импедансов, мы имеем в виду установление одинакового значения импеданса для драйвера, линии передачи и приемника. Обычно это 50 Ом для однопроводных линий передачи, хотя стандарты дифференциальной передачи могут указывать другие значения для согласования импедансов. Вот почему согласование импедансов важно в линии передачи и как обеспечить постоянный импеданс в межсоединениях на ПП.

Как осуществляется согласование импеданса межсоединения: 3 случая

Цель согласования импедансов на линиях передачи заключается в установлении постоянного импеданса на всем протяжении соединения. Когда импедансы драйвера, приемника и линии передачи согласованы, происходит несколько важных вещей, которые будут обсуждены ниже. Ниже приведены случаи, которые следует рассмотреть при обсуждении важности согласования импедансов на линиях передачи:

• Драйвер, линия и приемник согласованы по одному и тому же импедансу. Это можно считать случаем с идеальным согласованием. В этом случае отражений вдоль линии нет (ни на входе в линию, ни на выходе), и максимальная мощность передается вниз по течению к приемнику. Напряжение в сигнале уменьшается только из-за потерь на рассеяние, поглощение и потерь на постоянном токе и скин-эффекте.

• Драйвер и приемник согласованы, но линия не согласована. В этом случае, как только сигнал поступает в линию передачи, происходит некоторое отражение. Другими словами, когда линия не согласована с драйвером, часть исходящего сигнала отражается обратно в драйвер. Это фактически мешает передаче некоторой мощности в линию передачи. Аналогично, на конце приемника будет отражение, и сигнал будет передаваться обратно к драйверу.

Входное сопротивление определит, будет ли максимальная мощность передана от драйвера к приемнику. В случае коротких линий передачи, сопротивление линии передачи будет похоже на сопротивление нагрузки, когда линия передачи очень короткая. Вопрос об этой критической длине рассматривается в другой статье. Вы можете определить точное входное сопротивление (определяемое как сопротивление линии передачи после первого отражения сигнала) с помощью следующих уравнений:

Входное сопротивление для потерьных и без потерь линий передачи

• Драйвер, приемник и линия все несогласованы. В этом случае не имеет значения, какова длина линии передачи; будут непрерывные отражения по мере прохождения сигнала по линии, что приведет к нежелательному ступенчатому увеличению напряжения, видимого приемником. Вы не сможете передать максимальную мощность от драйвера к приемнику, даже если линия очень короткая, потому что драйвер и приемник несогласованы.

Почему согласование сопротивлений важно в линиях передачи: Отражения

Когда драйвер и линия передачи согласованы, вы подавляете отражение на входе линии передачи. Однако, когда линия не согласована с приемником, в этом случае у вас все еще будет отражение на приемнике. Аналогично, если линия не согласована с драйвером и приемником, вы фактически теряете часть сигнала из-за отражения. Установка импеданса линии, драйвера и приемника на одно и то же значение обеспечивает передачу сигнала в приемник.

Согласование импеданса на интерфейсе между двумя частями соединения предотвращает отражения на этом интерфейсе. Всякий раз, когда происходит отражение на разрыве импеданса (т.е. интерфейс драйвер-линия или интерфейс драйвер-источник), происходит резкое изменение уровня сигнала, что вызывает переходный процесс в соединении. Результирующее отражение проявляется как звон (т.е. перерегулирование/недорегулирование), который накладывается поверх желаемого уровня сигнала, а также возможная ступенчатая реакция (в цифровых сигналах). Отражения создают еще одну проблему, в зависимости от того, работаем ли мы с цифровыми или аналоговыми сигналами.

Отражения с цифровыми сигналами

Повторяющиеся отражения взад и вперед на несогласованных линиях передачи могут вызвать ступенчатый отклик в напряжении, наблюдаемом на приемнике и источнике. Этот ступенчатый отклик может проявляться как постепенное увеличение уровня сигнала (см. ниже пример) или как отклик в стиле взлетов и падений, оба из которых мешают последующим входящим сигналам. В результате напряжение, наблюдаемое на приемнике, может изменяться со временем, как показано в примере ниже. Обратите внимание, что типичный переходный отклик на вершине изменения напряжения, создаваемого на каждом отражении, был опущен для ясности.

Пример ступенчатого отклика для высокоскоростного цифрового сигнала на несогласованной линии передачи

Отражения с аналоговыми сигналами

Так же, как цифровые сигналы могут многократно отражаться от линий передачи, когда приемник не согласован с линией, то же самое относится и к аналоговым сигналам. Существуют определенные частоты, на которых при подаче аналогового сигнала на линию образуются стоячие волновые резонансы. Эти частоты будут кратны некоторой наименьшей основной частоте. Это вызывает сильное излучение с линии передачи на определенных частотах. Обратите внимание, что в случае очень коротких линий передачи это будет происходить даже при несогласованности драйвера и приемника, просто соответствующие частоты будут значительно выше, чтобы компенсировать более короткую длину волны на линии передачи.

Стоячие волны на линии передачи означают, что ваши дорожки будут вести себя подобно этим антеннам

Вывод

Даже если линия короткая, все равно необходимо согласовать импеданс драйвера и приемника, чтобы предотвратить повторные отражения и звон на линиях передачи. Также точная длина, определяющая, когда линия считается короткой, не зафиксирована; это зависит от допустимого несогласования импеданса вдоль соединения. Поскольку все больше устройств работает на более низких уровнях и с более высокими скоростями нарастания сигнала, допустимые несогласования становятся все более критичными. Это требует более точного управления импедансом маршрутизации на этапе проектирования.

Мы косвенно описали однополярную передачу сигналов, но точно такое же обсуждение применимо к дифференциальной передаче сигналов; просто замените термин "характеристическое сопротивление" на "дифференциальное сопротивление", и те же концепции будут применяться. Мы продолжим рассматривать эти вопросы в предстоящих статьях, чтобы помочь дизайнерам быстро принимать правильные решения с более продвинутыми архитектурами взаимосвязей, стандартами сигналов и схемами модуляции.

Мощные инструменты проектирования стека и трассировки в Altium Designer^® интегрированы с точным решателем поля, который быстро определяет импеданс ваших дорожек по мере создания платы. Это помогает обеспечить ультраточное согласование импеданса при трассировке ваших соединений по всей печатной плате. Эти инструменты построены на основе единой системы проектирования, управляемой правилами, которая взаимодействует с рядом инструментов моделирования. Вы также получите доступ к полному набору функций производства, планирования и документации на единой платформе.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.