Zachariah Peterson
Kender du den kritiske længde for transmissionsledningen for disse spor?
Hvad enten du arbejder med digitale eller analoge signaler, skal du højst sandsynligt matche impedanserne mellem en kilde, transmissionsledning og belastning. Grunden til, at impedanstilpasning er vigtig i en transmissionsledning, er at sikre, at et 5 V-signal, der sendes ned ad ledningen, opfattes som et 5 V-signal i modtageren. Hvis du forstår, hvorfor transmissionsledningstilpasning er vigtig, kan du begynde at forstå, hvornår du skal gøre dette, enten i driver- eller modtagerenden af ledningen.
Når vi taler om impedanstilpasning, henviser vi til at indstille driver-, transmissionslednings- og modtagerimpedanserne til den samme værdi. Dette er normalt 50 ohm for single-ended transmissionslinjer, selv om differentielle signalstandarder kan angive andre værdier for impedanstilpasning. Her er hvorfor impedanstilpasning er vigtig i en transmissionslinje, og hvordan man implementerer en ensartet impedans i PCB-sammenkoblinger.
Hvordan en sammenkobling er impedanstilpasset: 3 tilfælde
Målet med impedanstilpasning i en transmissionsledning er at indstille en ensartet impedans i hele forbindelsesleddet. Når impedanserne for driveren, modtageren og transmissionsledningen er tilpasset, sker der et par vigtige ting, som vil blive diskuteret nedenfor. Følgende tilfælde bør behandles, når man diskuterer, hvorfor impedanstilpasning er vigtig i en transmissionslinje:
-
Driveren, linjen og modtageren er tilpasset til den samme impedans. Dette kan betragtes som et tilfælde med perfekt tilpasning. I dette tilfælde er der ingen refleksioner langs linjen (hverken ved indgangen til linjen eller ved udgangen), og der overføres maksimal effekt nedstrøms til modtageren. Spændingen i signalet falder kun på grund af spredningstab, absorption og tab ved DC- og skin-effekt.
-
Driveren og modtageren er matchet, men ledningen er ikke matchet. I dette tilfælde vil der være en vis refleksion, så snart signalet udsendes i transmissionsledningen. Med andre ord, når ledningen ikke er matchet til driveren, reflekteres noget af det opkoblede signal tilbage til driveren. Dette forhindrer effektivt, at noget strøm overføres til transmissionsledningen. På samme måde vil der være en refleksion i modtagerenden, og signalet vil gå tilbage til driveren.
Indgangsimpedansen vil bestemme, om der overføres maksimal effekt fra driveren til modtageren. I tilfælde af en kort transmissionslinje vil transmissionslinjens impedans ligne belastningens impedans, når transmissionslinjen er meget kort. Spørgsmålet om denne kritiske længde behandles i en anden artikel. Du kan bestemme den nøjagtige indgangsimpedans (defineret som transmissionsledningens impedans efter den første signalrefleksion) med følgende ligninger:
Indgangsimpedans for tabsgivende og tabsfri transmissionsledninger
-
Driveren, modtageren og ledningen er alle fejlmatchet. I dette tilfælde er det ligegyldigt, hvor lang transmissionsledningen er; der vil være kontinuerlige refleksioner, når signalet bevæger sig langs ledningen, hvilket giver en uønsket trappetrinsforøgelse af den spænding, som modtageren ser. Du vil ikke overføre maksimal effekt fra driveren til modtageren, selv om ledningen er meget kort, fordi driveren og modtageren er fejlmatchet.
Hvorfor impedanstilpasning er vigtig i en transmissionslinje: Refleksioner
Når driveren og transmissionsledningen er tilpasset, undertrykker man en refleksion ved transmissionsledningens indgang. Men når ledningen ikke er matchet til modtageren i dette tilfælde, har du stadig en refleksion ved modtageren. På samme måde, hvis ledningen ikke er afpasset fra driveren og modtageren, mister man effektivt noget signal på grund af refleksion. Ved at indstille impedansen for linjen, driveren og modtageren til den samme effekt sikrer du, at du overfører maksimal effekt til modtageren. Bemærk, at nogle signalstandarder ikke er afhængige af maksimal effektoverførsel og i stedet er afhængige af en høj indgangsimpedans for at registrere et signal ved indgangen (f.eks. LVDS).
Impedanstilpasning ved en grænseflade mellem to dele af en forbindelse forhindrer refleksioner ved den pågældende grænseflade. Hver gang der er en refleksion ved en impedansdiskontinuitet (dvs. driver-line-grænsefladen eller driver-source-grænsefladen), sker der en brat ændring i signalniveauet, hvilket giver et transient respons i forbindelsesleddet. Den resulterende refleksion viser sig som ringing (dvs. over-/underspænding), der overlejres oven på det ønskede signalniveau, samt en mulig trappetrinsrespons (i digitale signaler). Refleksioner skaber et andet problem, afhængigt af om vi arbejder med digitale eller analoge signaler.
Refleksioner med digitale signaler
Gentagne frem- og tilbageløbende refleksioner på en mismatchet transmissionsledning kan give et trappetrinsrespons i den spænding, der ses ved modtageren og kilden. Denne trappetrinsrespons kan fremstå som en gradvis stigning i signalniveauet (se et eksempel nedenfor) eller som en op- og nedadgående trappetrinsrespons, som begge forstyrrer efterfølgende indgående signaler. Som følge heraf kan den spænding, der ses ved modtageren, variere over tid, som vist i eksemplet nedenfor. Bemærk, at den typiske transiente reaktion oven på den spændingsændring, der opstår ved hver refleksion, er udeladt for at gøre det mere klart.
Eksempel på trappetrinsrespons for et digitalt højhastighedssignal på en mistilpasset transmissionsledning
Refleksioner med analoge signaler
Sådan som digitale signaler kan reflekteres gentagne gange på en transmissionsledning, når modtageren er mistilpasset til ledningen, gælder det samme for analoge signaler. Der er visse frekvenser, som vil danne stående bølgeresonanser på en linje, når de drives med et analogt signal. Disse frekvenser vil være et helt multiplum af en eller anden laveste grundfrekvens. Dette medfører kraftig stråling fra en transmissionslinje ved bestemte frekvenser. Bemærk, at dette i tilfælde af meget korte transmissionslinjer stadig vil forekomme, når driveren og modtageren ikke er tilpasset hinanden, men at de relevante frekvenser blot vil være meget større for at tage højde for den kortere bølgelængde på transmissionslinjen.
Stående bølger på en transmissionslinje betyder, at dine spor tilsyneladende vil virke som disse antenner
The Takeaway
Selv om ledningen er kort, skal du stadig impedanstilpasse driveren og modtageren for at forhindre gentagne refleksioner og ringning på en transmissionslinje. Desuden er den nøjagtige længde, der definerer, hvornår en linje er kort, ikke fastlagt i sten; den afhænger af den tilladte impedansmismatch langs en interconnect. Efterhånden som flere enheder kører med lavere niveauer og hurtigere kanthastigheder, bliver de tilladte mismatchninger stadig mere knivskarpe. Dette kræver mere præcis impedansstyret routing i designfasen.
Vi har implicit beskrevet single-ended signalering her, men nøjagtig den samme diskussion gælder for differentiel signalering; erstat blot udtrykket “karakteristisk impedans” med “differentiel impedans”, og de samme begreber vil gælde, selv om matematikken er en smule anderledes. Vi vil fortsætte med at se på disse spørgsmål i kommende artikler for at hjælpe designere med hurtigt at træffe de rigtige beslutninger med mere avancerede interconnect-arkitekturer, signaleringsstandarder og modulationsordninger.
De kraftfulde værktøjer til stackup-design og routing i Altium Designer® er integreret med en præcis feltopløser, som hurtigt bestemmer impedansen af dine spor, mens du bygger dit board. Dette er med til at sikre, at du opretholder en ultrapræcis impedanstilpasning, når du dirigerer dine forbindelser gennem hele PCB’et. Disse værktøjer er bygget oven på en forenet regelstyret designmotor, der har grænseflader til en række simuleringsværktøjer. Du får også adgang til et komplet sæt funktioner til fremstilling, planlægning og dokumentation i en enkelt platform.
Nu kan du downloade en gratis prøveversion af Altium Designer og få mere at vide om branchens bedste værktøjer til layout, simulering og produktionsplanlægning. Tal med en Altium-ekspert i dag for at få mere at vide.