Miksi impedanssin sovittaminen on tärkeää siirtolinjassa

|&nbsp Created: &nbsp|&nbsp Päivitetty: Tiedätkö siirtojohdon kriittisen pituuden näille jäljille?

Työskentelitpä sitten digitaalisten tai analogisten signaalien kanssa, sinun on todennäköisesti sovitettava impedanssit lähteen, siirtojohdon ja kuorman välillä. Syy siihen, miksi impedanssien sovittaminen on tärkeää siirtolinjassa, on sen varmistaminen, että linjaa pitkin lähetetty 5 V:n signaali näkyy vastaanottimessa 5 V:n signaalina. Jos ymmärrät, miksi siirtolinjan sovittaminen on tärkeää, voit alkaa ymmärtää, milloin se on tehtävä joko linjan ohjain- tai vastaanottopäässä.

Kun puhumme impedanssin sovittamisesta, tarkoitamme ohjaimen, siirtolinjan ja vastaanottimen impedanssien asettamista samaan arvoon. Tämä on yleensä 50 ohmia yksipäätteisille siirtolinjoille, vaikka differentiaalisen signaloinnin standardit saattavat määritellä erilaisia arvoja impedanssin sovittamiselle. Tässä kerrotaan, miksi impedanssin sovittaminen on tärkeää siirtojohdossa ja miten johdonmukainen impedanssi toteutetaan piirilevyjen välisissä liitännöissä.

Miten liitäntä sovitetaan impedanssiin:

Lähetysjohdon impedanssin sovittamisen tavoitteena on asettaa johdonmukainen impedanssi koko liitännässä. Kun ohjaimen, vastaanottimen ja siirtojohdon impedanssit sovitetaan, tapahtuu muutamia tärkeitä asioita, joita käsitellään jäljempänä. Kun keskustellaan siitä, miksi impedanssin sovittaminen on tärkeää siirtolinjassa, on käsiteltävä seuraavia tapauksia:

• Kuljettaja, linja ja vastaanotin sovitetaan samaan impedanssiin. Tätä voidaan pitää tapauksena, jossa sovitus on täydellinen. Tällöin linjalla ei ole heijastuksia (ei linjan sisääntulossa eikä ulostulossa), ja suurin teho siirtyy alavirtaan vastaanottimeen. Signaalin jännite pienenee vain sirontahäviöiden, absorption sekä tasavirta- ja ihovaikutushäviöiden vuoksi.

• Kuljettaja ja vastaanotin on sovitettu, mutta linja on väärin sovitettu. Tällöin tapahtuu jonkin verran heijastumista heti, kun signaali lähetetään siirtojohtoon. Toisin sanoen, kun linja ei ole sovitettu ajuriin, osa lähtevästä signaalista heijastuu takaisin ajuriin. Tämä estää tehokkaasti osan tehon siirtymisen siirtojohtoon. Vastaavasti vastaanottimen päässä tapahtuu heijastusta, ja signaali kulkee takaisin ohjaimeen.

Tuloimpedanssi määrittää, siirtyykö suurin teho ohjaimesta vastaanottimeen. Lyhyen siirtojohdon tapauksessa siirtojohdon impedanssi näyttää kuorman impedanssilta, kun siirtojohto on hyvin lyhyt. Kysymystä tästä kriittisestä pituudesta käsitellään toisessa artikkelissa. Voit määrittää tarkan tuloimpedanssin (joka määritellään siirtojohdon impedanssiksi signaalin ensimmäisen heijastuksen jälkeen) seuraavilla yhtälöillä:

Häviöllisten ja häviöttömien siirtojohtojen tuloimpedanssi

• Kuljettaja, vastaanotin ja johto ovat kaikki epäsovitettuja. Tässä tapauksessa siirtojohdon pituudella ei ole väliä; signaalin kulkiessa linjaa pitkin syntyy jatkuvia heijastuksia, jotka aiheuttavat ei-toivotun porrasmaisen nousun vastaanottimen näkemässä jännitteessä. Et siirrä maksimitehoa ohjaimesta vastaanottimeen, vaikka linja olisi hyvin lyhyt, koska ohjain ja vastaanotin ovat väärin sovitettuja.

Miksi impedanssin sovitus on tärkeää siirtolinjassa:

Kun ohjain ja siirtojohto sovitetaan, tukahdutetaan heijastus siirtojohdon sisääntulossa. Kun linjaa ei kuitenkaan soviteta vastaanottimeen tässä tapauksessa, sinulla on edelleen heijastus vastaanottimessa. Vastaavasti, jos linja on sovitettu väärin ohjaimesta ja vastaanottimesta, menetät tehokkaasti jonkin verran signaalia heijastuksen vuoksi. Kun linjan, ohjaimen ja vastaanottimen impedanssi asetetaan samalle teholle, varmistetaan, että siirrät maksimitehon vastaanottimeen. Huomaa, että jotkin signalointistandardit eivät luota maksimaaliseen tehonsiirtoon ja sen sijaan luottavat korkeaan tuloimpedanssiin signaalin havaitsemiseksi sisääntulossa (esim. LVDS).

Impedanssin sovittaminen liitännän kahden osan välisessä rajapinnassa estää heijastukset kyseisessä rajapinnassa. Aina kun impedanssin epäjatkuvuuskohdassa (esim. ohjainjohdon rajapinnassa tai ohjaimen ja lähteen rajapinnassa) tapahtuu heijastus, signaalin tasossa tapahtuu äkillinen muutos, joka aiheuttaa transienttisen vasteen liitäntään. Tästä johtuva heijastus näkyy sointuna (eli yli-/alijuoksuna), joka on halutun signaalitason yläpuolella, sekä mahdollisena porrasmaisena vasteena (digitaalisissa signaaleissa). Heijastukset aiheuttavat toisen ongelman riippuen siitä, työskentelemmekö digitaalisten vai analogisten signaalien kanssa.

Heijastukset digitaalisilla signaaleilla

Toistuvat edestakaiset heijastukset väärin sovitetussa siirtojohdossa voivat tuottaa porrasaskel-vasteen vastaanottimessa ja lähteessä näkyvässä jännitteessä. Tämä porrasmainen vaste voi näkyä signaalitason asteittaisena nousuna (ks. alla oleva esimerkki) tai porrasmaisena ylös- ja alaspäin suuntautuvana vasteena, jotka molemmat häiritsevät seuraavia saapuvia signaaleja. Tämän seurauksena vastaanottimessa näkyvä jännite voi vaihdella ajan mittaan, kuten alla olevassa esimerkissä näkyy. Huomaa, että jokaisessa heijastuksessa syntyvän jännitemuutoksen päälle tuleva tyypillinen transienttivaste on jätetty pois selkeyden vuoksi.

Esimerkki porrasaskelmavasteesta nopealle digitaaliselle signaalille väärin sovitetulla siirtojohdolla

Heijastukset analogisilla signaaleilla

Aivan kuten digitaaliset signaalit voivat heijastua toistuvasti siirtojohtoon, kun vastaanotin sovitetaan väärin johtoon, sama pätee myös analogisiin signaaleihin. On olemassa tiettyjä taajuuksia, jotka muodostavat linjassa seisovia aaltoresonansseja, kun niitä ohjataan analogisella signaalilla. Nämä taajuudet ovat jonkin alimman perustaajuuden kokonaislukukerroin. Tämä aiheuttaa voimakasta säteilyä siirtojohdosta tietyillä taajuuksilla. Huomaa, että hyvin lyhyiden siirtojohtojen tapauksessa tämä tapahtuu edelleen, kun ohjain ja vastaanotin eivät sovi yhteen, mutta kyseiset taajuudet ovat vain paljon suurempia siirtojohdon lyhyemmän aallonpituuden vuoksi.

Lähetysjohdon päällä seisovat aallot merkitsevät, että jälkesi näyttävät toimivan kuin nämä antennit

Toteutuma

Sitäkin huolimatta, että linja on lyhyt, sinun on silti sovitettava ohjain ja vastaanotin impedanssin suhteen yhteen, jotta vältät toistuvat heijastukset ja soinnutukset lähetysjohdossa. Myöskään tarkkaa pituutta, joka määrittelee, milloin linja on lyhyt, ei ole kiveen hakattu; se riippuu sallitusta impedanssin epäsuhtaisuudesta yhteenliitännän varrella. Kun yhä useammat laitteet toimivat matalammilla tasoilla ja nopeammilla reunanopeuksilla, sallituista epäsymmetrioista tulee yhä ohuempia. Tämä edellyttää tarkempaa impedanssiohjattua reititystä suunnitteluvaiheessa.

Olemme implisiittisesti kuvanneet tässä yksipäätteistä signalointia, mutta täsmälleen sama keskustelu pätee differentiaaliseen signalointiin; korvaa vain termi ”ominaisimpedanssi” termillä ”differentiaalinen impedanssi”, ja samat käsitteet pätevät, vaikkakin matemaattiset laskutoimitukset ovat hieman erilaiset. Jatkamme näiden asioiden tarkastelua tulevissa artikkeleissa auttaaksemme suunnittelijoita tekemään nopeasti oikeita päätöksiä edistyneempien kytkentäarkkitehtuurien, signalointistandardien ja modulaatiojärjestelmien kanssa.

Altium Designer®:n tehokkaat pinoamissuunnittelu- ja reititystyökalut on integroitu tarkkaan kenttäratkaisimeen, joka määrittää nopeasti johtojäljiesi impedanssin piirilevyä rakennettaessa. Tämä auttaa varmistamaan, että säilytät erittäin tarkan impedanssin sovittamisen, kun reitität kytkentöjäsi koko piirilevyn läpi. Nämä työkalut on rakennettu yhtenäisen sääntöpohjaisen suunnittelumoottorin päälle, joka on liitettävissä useisiin simulointityökaluihin. Käytössäsi on myös täydelliset valmistus-, suunnittelu- ja dokumentointiominaisuudet yhdellä alustalla.

Nyt voit ladata Altium Designerin ilmaisen kokeilujakson ja oppia lisää alan parhaista layout-, simulointi- ja tuotannon suunnittelutyökaluista. Keskustele Altiumin asiantuntijan kanssa jo tänään saadaksesi lisätietoja.