Tại sao Việc Ghép Nối Trở Kháng lại Quan Trọng trong Đường Truyền

Bạn có biết chiều dài quan trọng của đường truyền cho những dấu vết này không?

Dù bạn đang làm việc với tín hiệu số hay tín hiệu tương tự, bạn sẽ cần phải khớp trở kháng giữa nguồn, đường truyền và tải. Lý do việc khớp trở kháng quan trọng trong đường truyền là để đảm bảo rằng tín hiệu 5 V được gửi xuống đường dây được nhận diện như một tín hiệu 5 V tại bộ nhận. Nếu bạn hiểu tại sao việc khớp trở kháng của đường truyền quan trọng, bạn có thể bắt đầu hiểu khi nào bạn cần thực hiện điều này, hoặc tại đầu phát hoặc đầu nhận của đường dây.

Khi chúng ta nói về khớp trở kháng, chúng ta đang nói về việc thiết lập trở kháng của bộ phát, đường truyền và bộ nhận về cùng một giá trị. Thông thường là 50 Ohms cho đường truyền đơn cuối, mặc dù các tiêu chuẩn tín hiệu vi sai có thể quy định các giá trị khác nhau cho việc khớp trở kháng. Đây là lý do tại sao việc khớp trở kháng quan trọng trong một đường truyền và cách thực hiện trở kháng nhất quán trong các kết nối PCB.

Cách một Kết nối được Khớp Trở Kháng: 3 Trường Hợp

Mục tiêu của việc khớp trở kháng trong đường truyền là thiết lập một trở kháng nhất quán xuyên suốt một kết nối liên lạc. Khi trở kháng của bộ phát, bộ nhận và đường truyền được khớp nối, một số điều quan trọng sẽ xảy ra, sẽ được thảo luận dưới đây. Các trường hợp sau đây nên được giải quyết khi thảo luận về lý do tại sao việc khớp trở kháng lại quan trọng trong đường truyền:

• Bộ phát, đường truyền và bộ nhận được khớp nối với cùng một trở kháng. Đây có thể được coi là trường hợp khớp nối hoàn hảo. Trong trường hợp này, không có sự phản xạ nào dọc theo đường truyền (cả ở đầu vào của đường truyền hoặc đầu ra), và công suất tối đa được truyền xuống dòng cho bộ nhận. Điện áp trong tín hiệu chỉ giảm do tổn thất phân tán, hấp thụ và tổn thất do hiệu ứng DC và hiệu ứng da.

• Bộ phát và bộ nhận được khớp nối, nhưng đường truyền không khớp. Trong trường hợp này, sẽ có một số phản xạ ngay khi tín hiệu được phát vào đường truyền. Nói cách khác, khi đường truyền không được khớp với bộ phát, một phần của tín hiệu nguồn sẽ được phản xạ trở lại vào bộ phát. Điều này hiệu quả ngăn chặn một số công suất truyền vào đường truyền. Tương tự, sẽ có một phản xạ ở đầu bộ nhận, và tín hiệu sẽ di chuyển trở lại bộ phát.

Trở kháng đầu vào sẽ quyết định liệu công suất tối đa có được truyền từ bộ phát đến bộ thu hay không. Trong trường hợp của các đường truyền ngắn, trở kháng của đường truyền sẽ giống như trở kháng của tải khi đường truyền rất ngắn. Vấn đề về chiều dài quan trọng này được đề cập trong một bài viết khác. Bạn có thể xác định chính xác trở kháng đầu vào (được định nghĩa là trở kháng của đường truyền sau lần phản xạ tín hiệu đầu tiên) với các phương trình sau:

Trở kháng đầu vào cho các đường truyền có mất mát và không mất mát

• Bộ phát, bộ thu, và đường truyền đều không khớp. Trong trường hợp này, chiều dài của đường truyền không quan trọng; sẽ có sự phản xạ liên tục khi tín hiệu di chuyển dọc theo đường truyền, tạo ra sự tăng bậc thang không mong muốn trong điện áp mà bộ thu nhận được. Bạn sẽ không truyền được công suất tối đa từ bộ phát đến bộ thu, ngay cả khi đường truyền rất ngắn, bởi vì bộ phát và bộ thu không khớp.

Tại sao Việc Khớp Trở Kháng lại Quan Trọng trong Đường Truyền: Phản Xạ

Khi trình điều khiển và đường truyền được khớp nối, bạn sẽ hạn chế được sự phản xạ tại đầu vào của đường truyền. Tuy nhiên, khi đường truyền không được khớp nối với bộ thu trong trường hợp này, bạn vẫn có sự phản xạ tại bộ thu. Tương tự, nếu đường truyền không khớp nối từ trình điều khiển và bộ thu, bạn thực sự mất một phần tín hiệu do phản xạ. Thiết lập trở kháng của đường truyền, trình điều khiển, và bộ thu với cùng một giá trị đảm bảo tín hiệu được chuyển vào bộ thu.

Khớp nối trở kháng tại một giao diện giữa hai phần của một kết nối liên tiếp ngăn chặn sự phản xạ tại giao diện đó. Bất cứ khi nào có sự phản xạ tại một điểm không liên tục về trở kháng (tức là, giao diện trình điều khiển-đường truyền, hoặc giao diện trình điều khiển-nguồn), sẽ có một sự thay đổi đột ngột trong mức tín hiệu, tạo ra một phản ứng chuyển tiếp trong kết nối liên tiếp. Sự phản xạ kết quả xuất hiện như là hiện tượng rung (tức là, quá mức/ dưới mức) được chồng lên trên mức tín hiệu mong muốn cũng như một phản ứng bậc thang có thể xảy ra (trong tín hiệu số). Sự phản xạ tạo ra một vấn đề khác, tùy thuộc vào việc chúng ta đang làm việc với tín hiệu số hay tín hiệu tương tự.

Phản xạ với Tín hiệu Số

Sự phản xạ qua lại liên tục trên các đường truyền không khớp nhau có thể tạo ra phản ứng dạng bậc thang trong điện áp nhìn thấy ở bộ nhận và nguồn. Phản ứng dạng bậc thang này có thể xuất hiện như là sự tăng dần về mức tín hiệu (xem dưới đây cho một ví dụ) hoặc phản ứng kiểu bậc thang lên xuống, cả hai đều gây cản trở cho các tín hiệu đến sau. Kết quả là, điện áp nhìn thấy ở bộ nhận có thể thay đổi theo thời gian, như được hiển thị trong ví dụ dưới đây. Lưu ý rằng phản ứng chuyển tiếp điển hình trên cùng với sự thay đổi điện áp tạo ra tại mỗi lần phản xạ đã được bỏ qua để rõ ràng.

Ví dụ về phản ứng dạng bậc thang cho tín hiệu số tốc độ cao trên một đường truyền không khớp

Phản xạ với Tín hiệu Tương tự

Giống như tín hiệu số có thể phản xạ liên tục trên đường truyền khi bộ thu không khớp với đường dây, điều tương tự cũng áp dụng cho tín hiệu tương tự. Có những tần số nhất định sẽ tạo ra cộng hưởng sóng đứng trên một đường dây khi được kích thích bằng tín hiệu tương tự. Những tần số này sẽ là bội số nguyên của một tần số cơ bản thấp nhất nào đó. Điều này gây ra sự bức xạ mạnh từ đường truyền tại các tần số cụ thể. Lưu ý rằng, trong trường hợp của các đường truyền rất ngắn, điều này vẫn xảy ra khi bộ kích thích và bộ thu không khớp, các tần số liên quan sẽ chỉ lớn hơn nhiều để phù hợp với bước sóng ngắn hơn trên đường truyền.

Sóng đứng trên một đường truyền có nghĩa là các đường mạch của bạn sẽ có vẻ như hoạt động giống như những ăng-ten này

Điều cần nhớ

Ngay cả khi đường dây ngắn, bạn vẫn cần phải khớp trở kháng giữa bộ kích thích và bộ thu để ngăn chặn sự phản xạ liên tục và hiện tượng rung trên đường truyền. Ngoài ra, độ dài chính xác định nghĩa khi nào một đường dây được coi là ngắn không cố định; nó phụ thuộc vào sự chấp nhận sai số trở kháng dọc theo kết nối liên lạc. Khi nhiều thiết bị hoạt động ở mức độ thấp hơn và tốc độ biên độ nhanh hơn, sự chấp nhận sai số trở nên càng ngày càng khắt khe. Điều này đòi hỏi việc định tuyến kiểm soát trở kháng chính xác hơn trong giai đoạn thiết kế.

Chúng tôi đã mô tả một cách ngầm định về tín hiệu đơn cuối ở đây, nhưng cùng một cuộc thảo luận này cũng áp dụng cho tín hiệu vi sai; chỉ cần thay thế thuật ngữ "trở kháng đặc trưng" bằng "trở kháng vi sai," và những khái niệm tương tự sẽ được áp dụng. Chúng tôi sẽ tiếp tục xem xét những vấn đề này trong các bài viết sắp tới nhằm giúp các nhà thiết kế nhanh chóng đưa ra quyết định đúng đắn với các kiến trúc kết nối nâng cao, tiêu chuẩn tín hiệu, và các lược đồ điều chế phức tạp hơn.

Công cụ thiết kế stackup mạnh mẽ và công cụ định tuyến trong Altium Designer^® được tích hợp với một trình giải pháp trường chính xác, giúp nhanh chóng xác định trở kháng của các đường dẫn của bạn khi bạn xây dựng bảng mạch của mình. Điều này giúp đảm bảo bạn duy trì sự khớp trở kháng cực kỳ chính xác khi bạn định tuyến các kết nối trên PCB của mình. Những công cụ này được xây dựng trên nền tảng của một động cơ thiết kế theo quy tắc thống nhất, giao tiếp với một số công cụ mô phỏng. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào một bộ đầy đủ các tính năng về sản xuất, lập kế hoạch, và tài liệu trên một nền tảng duy nhất.

Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch, mô phỏng, và sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.