Zachariah Peterson
Znáte kritickou délku přenosového vedení pro tyto vodiče?
Ať už pracujete s digitálními nebo analogovými signály, s největší pravděpodobností budete potřebovat přizpůsobit impedanci mezi zdrojem, přenosovým vedením a zátěží. Důvodem, proč je impedanční přizpůsobení přenosového vedení důležité, je zajištění toho, aby byl signál 5 V vyslaný po vedení vnímán jako signál 5 V na přijímači. Pokud pochopíte, proč je přizpůsobení přenosového vedení důležité, můžete začít chápat, kdy je potřeba toto přizpůsobení provést, ať už na straně ovladače nebo přijímače vedení.
Když mluvíme o přizpůsobení impedance, máme na mysli nastavení impedance ovladače, přenosového vedení a přijímače na stejnou hodnotu. U jednosměrných přenosových vedení je to obvykle 50 ohmů, i když normy pro diferenciální signalizaci mohou stanovit jiné hodnoty pro impedanční přizpůsobení. Zde se dozvíte, proč je impedanční přizpůsobení přenosového vedení důležité a jak realizovat shodnou impedanci v propojeních na deskách plošných spojů.
Jak se přizpůsobuje impedance propojení:
Cílem impedančního přizpůsobení v přenosovém vedení je nastavit konzistentní impedanci v celém propojení. Když jsou impedance ovladače, přijímače a přenosového vedení přizpůsobeny, dochází k několika důležitým věcem, které budou popsány níže. Při diskusi o tom, proč je impedanční přizpůsobení v přenosovém vedení důležité, je třeba se zabývat následujícími případy:
-
Řidič, vedení a přijímač jsou přizpůsobeny na stejnou impedanci. To lze považovat za případ s dokonalým přizpůsobením. V tomto případě nedochází k žádným odrazům podél vedení (ani na vstupu do vedení, ani na výstupu) a maximální výkon se přenáší po proudu do přijímače. Napětí v signálu se snižuje pouze v důsledku ztrát rozptylem, absorpcí a ztrát stejnosměrným proudem a skinefektem.
-
Řidič a přijímač jsou sladěny, ale vedení je nesladěné. V tomto případě dojde k určitému odrazu, jakmile je signál spuštěn do přenosového vedení. Jinými slovy, není-li vedení sladěno s ovladačem, část vysílaného signálu se odrazí zpět do ovladače. Tím se účinně zabrání přenosu části výkonu do přenosového vedení. Podobně dojde k odrazu na konci přijímače a signál se vrátí zpět do ovladače.
Vstupní impedance určí, zda se z ovladače do přijímače přenese maximum výkonu. V případě krátkého přenosového vedení bude impedance přenosového vedení vypadat jako impedance zátěže, když je přenosové vedení velmi krátké. Otázkou této kritické délky se zabývá jiný článek. Přesnou vstupní impedanci (definovanou jako impedanci přenosového vedení po prvním odrazu signálu) můžete určit pomocí následujících rovnic:
Vstupní impedance pro ztrátové a bezeztrátové přenosové vedení
-
Řidič, přijímač a vedení jsou nesymetrické. V tomto případě nezáleží na délce přenosového vedení; při průchodu signálu vedením bude docházet ke spojitým odrazům, což způsobí nežádoucí schodovitý nárůst napětí, které vidí přijímač. Nepřenesete maximální výkon z ovladače do přijímače, i když je vedení velmi krátké, protože ovladač a přijímač jsou nesladěné.
Proč je v přenosovém vedení důležité impedanční přizpůsobení: Odrazy
Pokud jsou ovladač a přenosové vedení přizpůsobeny, potlačujete odraz na vstupu přenosového vedení. Když však v tomto případě není vedení přizpůsobeno přijímači, stále máte na přijímači odraz. Podobně, pokud je vedení od ovladače a přijímače nesladěné, efektivně ztrácíte část signálu v důsledku odrazu. Nastavení stejné impedance vedení, ovladače a přijímače vám zajistí přenos maximálního výkonu do přijímače. Všimněte si, že některé signalizační standardy nespoléhají na maximální přenos výkonu a místo toho se spoléhají na vysokou vstupní impedanci pro snímání signálu na vstupu (např. LVDS).
Impedanční přizpůsobení na rozhraní mezi dvěma částmi propojení zabraňuje odrazům na tomto rozhraní. Kdykoli dojde k odrazu na impedanční nespojitosti (tj. na rozhraní vodič-linka nebo na rozhraní vodič-zdroj), dojde k náhlé změně úrovně signálu, což vyvolá přechodovou odezvu v propojení. Výsledný odraz se projevuje jako zvonění (tj. přeběh/odraz), které se překrývá s požadovanou úrovní signálu, a také jako možná schodovitá odezva (u digitálních signálů). Odrazy vytvářejí další problém v závislosti na tom, zda pracujeme s digitálními nebo analogovými signály.
Odrazy u digitálních signálů
Pakované zpětné odrazy na nesladěném přenosovém vedení mohou způsobit schodovitou odezvu v napětí viditelném na přijímači a zdroji. Tato schodovitá odezva se může projevovat jako postupný nárůst úrovně signálu (viz příklad níže) nebo jako odezva ve stylu schodů nahoru a dolů, přičemž v obou případech dochází k rušení následných příchozích signálů. Výsledkem je, že napětí viditelné na přijímači se může v průběhu času měnit, jak je uvedeno v příkladu níže. Všimněte si, že typická přechodová odezva na vrcholu změny napětí vzniklé při každém odrazu byla pro přehlednost vynechána.
Příklad schodišťové odezvy pro vysokorychlostní digitální signál na nesladěném přenosovém vedení
Odrazy s analogovými signály
Stejně jako se digitální signály mohou na přenosovém vedení opakovaně odrážet, pokud je přijímač s vedením nesladěn, platí totéž pro analogové signály. Existují určité frekvence, které při řízení analogovým signálem vytvoří na vedení rezonance stojatých vln. Tyto frekvence budou určitým celočíselným násobkem některé nejnižší základní frekvence. To způsobuje silné vyzařování z přenosového vedení na určitých frekvencích. Všimněte si, že v případě velmi krátkých přenosových vedení k tomu bude docházet i při nesouladu ovladače a přijímače, příslušné frekvence budou pouze mnohem větší, aby se přizpůsobily kratší vlnové délce přenosového vedení.
Stojaté vlny na přenosovém vedení znamenají, že se vaše stopy budou chovat jako tyto antény
Závěr
I když je vedení krátké, stále musíte impedančně přizpůsobit ovladač a přijímač, abyste zabránili opakovaným odrazům a zvonění na přenosovém vedení. Také přesná délka, která určuje, kdy je vedení krátké, není pevně daná; závisí na povoleném impedančním nesouladu podél propojení. Vzhledem k tomu, že stále více zařízení pracuje na nižších úrovních a rychlejších okrajových rychlostech, je povolený nesoulad stále tenčí. To vyžaduje přesnější směrování řízené impedancí ve fázi návrhu.
Popisovali jsme zde implicitně jednostrannou signalizaci, ale úplně stejná diskuse platí i pro diferenciální signalizaci; stačí nahradit termín „charakteristická impedance“ termínem „diferenciální impedance“ a budou platit stejné pojmy, i když matematika je trochu jiná. Těmito otázkami se budeme dále zabývat v příštích článcích, abychom konstruktérům pomohli rychle přijímat správná rozhodnutí u pokročilejších architektur propojení, signalizačních standardů a modulačních schémat.
Výkonné nástroje pro návrh stohování a směrování v aplikaci Altium Designer® jsou integrovány s přesným řešitelem polí, který při sestavování desky rychle určí impedanci stop. To vám pomůže zajistit, abyste při směrování propojovacích vodičů po celé desce plošných spojů zachovali mimořádně přesné impedanční přizpůsobení. Tyto nástroje jsou postaveny na jednotném návrhovém enginu řízeném pravidly, který spolupracuje s řadou simulačních nástrojů. Získáte také přístup ke kompletní sadě výrobních, plánovacích a dokumentačních funkcí v jediné platformě.
Nyní si můžete stáhnout bezplatnou zkušební verzi Altium Designer a dozvědět se více o nejlepších nástrojích pro rozvržení, simulaci a plánování výroby v oboru. Ještě dnes si promluvte s odborníkem společnosti Altium a dozvíte se více.