Zachariah Peterson
Kennen Sie die kritische Länge der Übertragungsleitung für diese Leiterbahnen?
Ob Sie nun mit digitalen oder analogen Signalen arbeiten, müssen Sie höchstwahrscheinlich die Impedanzen zwischen einer Quelle, einer Übertragungsleitung und einer Last anpassen. Die Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung ist wichtig, um sicherzustellen, dass ein 5-V-Signal, das über die Leitung gesendet wird, am Empfänger als 5-V-Signal wahrgenommen wird. Wenn man versteht, warum die Anpassung von Übertragungsleitungen wichtig ist, kann man auch nachvollziehen, wann dies erforderlich ist, entweder am Treiber oder am Empfänger der Leitung.
Wenn wir von Impedanzanpassung sprechen, beziehen wir uns darauf, die Impedanzen von Treiber, Übertragungsleitung und Empfänger auf denselben Wert einzustellen. Bei unsymmetrischen Übertragungsleitungen beträgt dieser Wert in der Regel 50 Ohm, obwohl die Normen für die Differenzsignalisierung andere Werte für die Impedanzanpassung vorschreiben können. Hier erfahren Sie, warum die Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung wichtig ist und wie man eine einheitliche Impedanz in Leiterplattenverbindungen implementiert.
Wie eine Verbindung impedanzangepasst wird: 3 Fälle
Das Ziel der Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung ist es, eine einheitliche Impedanz für die gesamte Verbindung zu schaffen. Wenn die Impedanzen des Treibers, des Empfängers und der Übertragungsleitung aufeinander abgestimmt sind, geschehen einige wichtige Dinge, die im Folgenden besprochen werden. Bei der Erörterung der Frage, warum die Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung wichtig ist, sollten die folgenden Fälle berücksichtigt werden:
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Treiber, Leitung und Empfänger sind auf dieselbe Impedanz abgestimmt. Dies kann als ein Fall mit perfekter Anpassung angesehen werden. In diesem Fall gibt es keine Reflexionen entlang der Leitung (weder am Eingang der Leitung noch am Ausgang), und die maximale Leistung wird stromabwärts zum Empfänger übertragen. Die Spannung im Signal nimmt nur aufgrund von Streuverlusten, Absorption sowie Gleichstrom- und Skineffektverlusten ab.
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Treiber und Empfänger sind aufeinander abgestimmt, aber die Leitung ist nicht optimal angepasst. In diesem Fall kommt es zu einer gewissen Reflexion, sobald das Signal in die Übertragungsleitung eingespeist wird. Mit anderen Worten: Wenn die Leitung nicht an den Treiber angepasst ist, wird ein Teil des Signals in den Treiber zurückreflektiert. Dadurch wird verhindert, dass ein Teil der Leistung in die Übertragungsleitung übertragen wird. Auf der Empfängerseite kommt es ebenfalls zu einer Reflexion, und das Signal wird zum Treiber zurückgeführt.
Die Eingangsimpedanz bestimmt, ob die maximale Leistung vom Treiber zum Empfänger übertragen wird. Im Falle einer kurzen Übertragungsleitung wird die Impedanz der Übertragungsleitung wie die Impedanz der Last aussehen, wenn die Übertragungsleitung sehr kurz ist. Die Frage nach dieser kritischen Länge wird in einem anderen Artikel behandelt. Die genaue Eingangsimpedanz (definiert als die Impedanz der Übertragungsleitung nach der ersten Signalreflexion) kann mit den folgenden Gleichungen bestimmt werden:
Eingangsimpedanz für verlustbehaftete und verlustfreie Übertragungsleitungen
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Treiber, Empfänger und Leitung sind alle nicht aufeinander abgestimmt. In diesem Fall spielt es keine Rolle, wie lang die Übertragungsleitung ist; auf dem Weg des Signals über die Leitung kommt es zu ständigen Reflexionen, die zu einem unerwünschten treppenförmigen Anstieg der Spannung am Empfänger führen. Selbst bei einer sehr kurzen Leitung wird nicht die maximale Leistung vom Treiber zum Empfänger übertragen, weil Treiber und Empfänger nicht richtig aufeinander abgestimmt sind.
Warum Impedanzanpassung in einer Übertragungsleitung wichtig ist: Reflexionen
Wenn der Treiber und die Übertragungsleitung aufeinander abgestimmt sind, unterdrückt man eine Reflexion am Eingang der Übertragungsleitung. Wenn die Leitung in diesem Fall jedoch nicht an den Empfänger angepasst ist, kommt es trotzdem zu einer Reflexion am Empfänger. Ähnlich verhält es sich, wenn die Leitung nicht an den Treiber und den Empfänger angepasst ist, so dass ein Teil des Signals aufgrund von Reflexionen verloren geht. Wenn Sie die Impedanz der Leitung, des Treibers und des Empfängers auf dieselbe Leistung einstellen, wird die maximale Leistung an den Empfänger übertragen. Beachten Sie, dass einige Signalisierungsstandards sich nicht auf eine maximale Leistungsübertragung verlassen und stattdessen eine hohe Eingangsimpedanz benötigen, um ein Signal am Eingang zu erfassen (z. B. LVDS).
Die Impedanzanpassung an einer Schnittstelle zwischen zwei Teilen einer Verbindung verhindert Reflexionen an dieser Schnittstelle. Jedes Mal, wenn eine Reflexion an einer Impedanzdiskontinuität auftritt (d. h. an der Treiber-Leitungs-Schnittstelle oder der Treiber-Source-Schnittstelle), kommt es zu einer abrupten Änderung des Signalpegels, die ein Einschwingverhalten in der Verbindung erzeugt. Die daraus resultierende Reflexion zeigt sich als Klingeln (d. h. Über- und Unterschwingen), das den gewünschten Signalpegel überlagert, sowie als mögliche Treppenstufenreaktion (bei digitalen Signalen). Reflexionen stellen ein weiteres Problem dar, je nachdem, ob man mit digitalen oder analogen Signalen arbeitet.
Reflexionen bei digitalen Signalen
Wiederholte Hin- und Herreflexionen auf einer nicht angepassten Übertragungsleitung können eine Treppenstufenreaktion in der am Empfänger und an der Quelle gemessenen Spannung erzeugen. Diese Treppenstufenreaktion kann als allmählicher Anstieg des Signalpegels (siehe Beispiel unten) oder als auf- und absteigende Treppenstufenreaktion auftreten, die beide mit nachfolgenden eingehenden Signalen interferieren. Infolgedessen kann die am Empfänger angezeigte Spannung im Laufe der Zeit variieren, wie im folgenden Beispiel gezeigt. Beachten Sie, dass die typische Einschwingreaktion zusätzlich zu der bei jeder Reflexion erzeugten Spannungsänderung aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurde.
Beispiel für eine Treppenstufenreaktion für ein digitales Hochgeschwindigkeitssignal auf einer fehlangepassten Übertragungsleitung
Reflexionen bei analogen Signalen
Genauso wie digitale Signale wiederholt auf einer Übertragungsleitung reflektieren können, wenn der Empfänger nicht an die Leitung angepasst ist, gilt das Gleiche für analoge Signale. Es gibt bestimmte Frequenzen, die auf einer Leitung stehende Wellenresonanzen bilden, wenn sie mit einem analogen Signal betrieben werden. Diese Frequenzen sind ein ganzzahliges Vielfaches der niedrigsten Grundfrequenz. Dies führt zu einer starken Abstrahlung von einer Übertragungsleitung bei bestimmten Frequenzen. Man beachte, dass dies bei sehr kurzen Übertragungsleitungen auch dann auftritt, wenn Treiber und Empfänger nicht aufeinander abgestimmt sind, die relevanten Frequenzen sind dann nur viel größer, um die kürzere Wellenlänge der Übertragungsleitung zu berücksichtigen.
Stehende Wellen auf einer Übertragungsleitung bedeuten, dass sich Ihre Leiterbahnen wie diese Antennen zu verhalten scheinen
Das Fazit
Selbst wenn die Leitung kurz ist, müssen Sie Treiber und Empfänger impedanzmäßig anpassen, um wiederholte Reflexionen und Klingeln auf einer Übertragungsleitung zu verhindern. Außerdem ist die genaue Länge, die definiert, wann eine Leitung kurz ist, nicht in Stein gemeißelt; sie hängt von der zulässigen Impedanzfehlanpassung entlang einer Verbindung ab. Da immer mehr Geräte mit niedrigeren Pegeln und schnelleren Flankenraten betrieben werden, werden die zulässigen Fehlanpassungen immer hauchdünner. Dies erfordert ein genaueres impedanzgesteuertes Routing während der Entwurfsphase.
Wir haben hier implizit die Single-Ended-Signalisierung beschrieben, aber genau dieselbe Diskussion gilt auch für die differentielle Signalisierung; ersetzen Sie einfach den Begriff „charakteristische Impedanz“ durch „differentielle Impedanz“, und es gelten dieselben Konzepte, auch wenn die Mathematik ein wenig anders ist. Wir werden uns in den kommenden Artikeln weiter mit diesen Themen beschäftigen, um den Designern zu helfen, schnell die richtigen Entscheidungen bei fortschrittlicheren Verbindungsarchitekturen, Signalisierungsstandards und Modulationsschemata zu treffen.
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