Zachariah Peterson
Savez-vous quelle est la longueur critique de la ligne de transmission pour ces traces ?
Que vous travailliez avec des signaux numériques ou analogiques, vous aurez très probablement besoin d’adapter les impédances entre une source, une ligne de transmission et une charge. La raison pour laquelle l’adaptation d’impédance est importante dans une ligne de transmission est de s’assurer qu’un signal de 5 V envoyé sur la ligne est vu comme un signal de 5 V au niveau du récepteur. Si vous comprenez pourquoi l’adaptation de la ligne de transmission est importante, vous pouvez commencer à comprendre quand vous devez le faire, que ce soit à l’extrémité conducteur ou récepteur de la ligne.
Lorsque nous parlons d’adaptation d’impédance, nous faisons référence au réglage des impédances du conducteur, de la ligne de transmission et du récepteur à la même valeur. Il s’agit généralement de 50 Ohms pour les lignes de transmission asymétriques, bien que les normes de signalisation différentielle puissent spécifier des valeurs différentes pour l’adaptation d’impédance. Voici pourquoi l’adaptation d’impédance est importante dans une ligne de transmission et comment mettre en œuvre une impédance cohérente dans les interconnexions de PCB.
Comment une interconnexion est adaptée à l’impédance : 3 Cas
Le but de l’adaptation d’impédance dans une ligne de transmission est de définir une impédance cohérente tout au long d’une interconnexion. Lorsque les impédances du pilote, du récepteur et de la ligne de transmission sont appariées, quelques choses importantes se produisent, qui seront discutées ci-dessous. Les cas suivants doivent être abordés lorsqu’on discute des raisons pour lesquelles l’adaptation d’impédance est importante dans une ligne de transmission :
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Le pilote, la ligne et le récepteur sont adaptés à la même impédance. Cela peut être considéré comme un cas d’adaptation parfaite. Dans ce cas, il n’y a aucune réflexion le long de la ligne (que ce soit à l’entrée de la ligne ou à la sortie), et la puissance maximale est transférée en aval vers le récepteur. La tension du signal ne diminue qu’en raison des pertes par diffusion, de l’absorption et des pertes par effet de courant continu et par effet de peau.
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Le conducteur et le récepteur sont appariés, mais la ligne est désappariée. Dans ce cas, il y aura une certaine réflexion dès que le signal est lancé dans la ligne de transmission. En d’autres termes, lorsque la ligne n’est pas adaptée au conducteur, une partie du signal est réfléchie vers le conducteur. Cela empêche effectivement une partie de la puissance d’être transmise dans la ligne de transmission. De même, il y aura une réflexion à l’extrémité du récepteur, et le signal reviendra vers le conducteur.
L’impédance d’entrée déterminera si la puissance maximale est transférée du conducteur au récepteur. Dans le cas d’une ligne de transmission courte, l’impédance de la ligne de transmission ressemblera à l’impédance de la charge lorsque la ligne de transmission est très courte. La question de cette longueur critique est abordée dans un autre article. Vous pouvez déterminer l’impédance d’entrée exacte (définie comme l’impédance de la ligne de transmission après la première réflexion du signal) avec les équations suivantes:
Impédance d’entrée pour les lignes de transmission avec et sans perte
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Le conducteur, le récepteur et la ligne sont tous désadaptés. Dans ce cas, peu importe la longueur de la ligne de transmission, il y aura des réflexions continues lorsque le signal se déplace le long de la ligne, produisant une augmentation indésirable en escalier de la tension vue par le récepteur. Vous ne transférerez pas une puissance maximale du conducteur au récepteur, même si la ligne est très courte, parce que le conducteur et le récepteur sont mal adaptés.
Pourquoi l’adaptation de l’impédance est importante dans une ligne de transmission : Réflexions
Lorsque le conducteur et la ligne de transmission sont appariés, vous supprimez une réflexion à l’entrée de la ligne de transmission. Cependant, lorsque la ligne n’est pas adaptée au récepteur dans ce cas, vous avez toujours une réflexion au niveau du récepteur. De même, si la ligne n’est pas adaptée au conducteur et au récepteur, vous perdez effectivement une partie du signal en raison de la réflexion. En réglant l’impédance de la ligne, du conducteur et du récepteur à la même puissance, vous transférez une puissance maximale au récepteur. Notez que certaines normes de signalisation ne s’appuient pas sur le transfert de puissance maximale et s’appuient plutôt sur une impédance d’entrée élevée pour détecter un signal à l’entrée (par exemple, LVDS).
L’adaptation de l’impédance à une interface entre deux parties d’une interconnexion empêche les réflexions à cette interface. Chaque fois qu’il y a une réflexion à une discontinuité d’impédance (c’est-à-dire l’interface pilote-ligne, ou l’interface pilote-source), il y a un changement brusque du niveau du signal, ce qui produit une réponse transitoire dans l’interconnexion. La réflexion qui en résulte se présente sous la forme d’une oscillation (c’est-à-dire d’un dépassement ou d’un sous-dépassement) qui se superpose au niveau de signal souhaité, ainsi que d’une éventuelle réponse en escalier (dans les signaux numériques). Les réflexions créent un autre problème, selon que l’on travaille avec des signaux numériques ou analogiques.
Réflexions avec les signaux numériques
Des réflexions répétées en va-et-vient sur une ligne de transmission mal adaptée peuvent produire une réponse en escalier dans la tension vue au récepteur et à la source. Cette réponse en escalier peut se présenter sous la forme d’une augmentation progressive du niveau du signal (voir ci-dessous pour un exemple) ou d’une réponse de style escalier ascendant et descendant, les deux interférant avec les signaux entrants suivants. Par conséquent, la tension perçue par le récepteur peut varier dans le temps, comme le montre l’exemple ci-dessous. Notez que la réponse transitoire typique en plus de la variation de tension produite à chaque réflexion a été omise pour plus de clarté.
Exemple de réponse en escalier pour un signal numérique à grande vitesse sur une ligne de transmission désadaptée
Réflexions avec des signaux analogiques
De même que les signaux numériques peuvent se réfléchir de manière répétée sur une ligne de transmission lorsque le récepteur est désadapté à la ligne, il en va de même pour les signaux analogiques. Il y a certaines fréquences qui formeront des résonances d’ondes stationnaires sur une ligne lorsqu’elle est alimentée par un signal analogique. Ces fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale la plus basse. Cela provoque un fort rayonnement d’une ligne de transmission à des fréquences particulières. Notez que, dans le cas de lignes de transmission très courtes, cela se produira encore lorsque le pilote et le récepteur sont mal adaptés, les fréquences pertinentes seront juste beaucoup plus grandes pour tenir compte de la longueur d’onde plus courte sur la ligne de transmission.
Les ondes stationnaires sur une ligne de transmission signifient que vos traces sembleront agir comme ces antennes
The Takeaway
Même si la ligne est courte, vous devez toujours adapter l’impédance du pilote et du récepteur pour éviter les réflexions et les sonneries répétées sur une ligne de transmission. De plus, la longueur exacte qui définit quand une ligne est courte n’est pas gravée dans la pierre ; elle dépend de la désadaptation d’impédance autorisée le long d’une interconnexion. Comme de plus en plus de dispositifs fonctionnent à des niveaux inférieurs et à des vitesses de pointe plus rapides, les désaccords autorisés deviennent de plus en plus fins. Cela nécessite un routage plus précis contrôlé par l’impédance pendant la phase de conception.
Nous avons implicitement décrit la signalisation asymétrique ici, mais la même discussion exacte s’applique à la signalisation différentielle ; il suffit de remplacer le terme « impédance caractéristique » par « impédance différentielle, et les mêmes concepts s’appliqueront, bien que les mathématiques soient un peu différentes. Nous continuerons à examiner ces questions dans les articles à venir afin d’aider les concepteurs à prendre rapidement les bonnes décisions avec des architectures d’interconnexion, des normes de signalisation et des schémas de modulation plus avancés.
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