Zachariah Peterson
Tudja az átviteli vonal kritikus hosszát ezekhez a nyomvonalakhoz?
Függetlenül attól, hogy digitális vagy analóg jelekkel dolgozik, valószínűleg impedanciákat kell illesztenie a forrás, az átviteli vonal és a terhelés között. Az impedanciaillesztés azért fontos az átviteli vonalon, hogy a vonalon leküldött 5 V-os jelet a vevő 5 V-os jelként lássa. Ha megértette, hogy miért fontos az átviteli vonal illesztése, akkor elkezdheti megérteni, hogy mikor van erre szükség, akár a vezeték meghajtó-, akár a vevő végén.
Amikor impedanciaillesztésről beszélünk, akkor a meghajtó, az átviteli vonal és a vevő impedanciájának azonos értékre való beállítására utalunk. Ez általában 50 Ohm az egyvégű átviteli vonalak esetében, bár a differenciális jelátviteli szabványok eltérő értékeket is előírhatnak az impedanciaillesztésre. Íme, miért fontos az impedanciaillesztés az átviteli vezetékben, és hogyan valósítható meg az egységes impedancia a NYÁK-összekötőkben.
Hogyan történik egy összekötő impedanciaillesztése:
Az impedanciaillesztés célja az átviteli vezetékben az, hogy az egész összeköttetésben konzisztens impedanciát állítson be. Amikor a meghajtó, a vevő és az átviteli vonal impedanciája illeszkedik, néhány fontos dolog történik, amelyeket az alábbiakban tárgyalunk. A következő esetekre kell kitérni annak tárgyalásakor, hogy miért fontos az impedanciaillesztés az átviteli vezetékben:
-
A meghajtó, a vezeték és a vevő azonos impedanciára van illesztve. Ez tekinthető a tökéletes illesztés esetének. Ebben az esetben nincsenek reflexiók a vezeték mentén (sem a vezeték bemenetén, sem a kimeneten), és a maximális teljesítményt továbbítják lefelé a vevő felé. A jelben lévő feszültség csak a szórási veszteségek, az abszorpció, valamint az egyenáram- és bőrhatás okozta veszteségek miatt csökken.
-
A meghajtó és a vevő illesztett, de a vezeték nem illesztett. Ebben az esetben némi visszaverődés lesz, amint a jel az átviteli vezetékbe kerül. Más szóval, ha a vezeték nincs illesztve a meghajtóhoz, akkor a leadott jel egy része visszaverődik a meghajtóba. Ez hatékonyan megakadályozza, hogy a teljesítmény egy része az átviteli vonalba jusson. Hasonlóképpen a vevő végén is lesz visszaverődés, és a jel visszakerül a meghajtóba.
A bemeneti impedancia határozza meg, hogy a meghajtóból a vevőbe maximális teljesítmény kerül-e átvitelre. Rövid átviteli vonal esetén az átviteli vonal impedanciája úgy fog kinézni, mint a terhelés impedanciája, ha az átviteli vonal nagyon rövid. Ennek a kritikus hosszúságnak a kérdésével egy másik cikk foglalkozik. A pontos bemeneti impedanciát (amelyet az átviteli vonal impedanciájaként határozunk meg az első jel visszaverődése után) a következő egyenletekkel határozhatjuk meg:
Bemeneti impedancia veszteséges és veszteségmentes átviteli vonalakra
-
A meghajtó, a vevő és a vonal nem illeszkedik egymáshoz. Ebben az esetben nem számít, hogy milyen hosszú az átviteli vonal; a jelnek a vonalon való haladása során folyamatos visszaverődések lesznek, ami a vevő által érzékelt feszültség nemkívánatos lépcsőzetes növekedését eredményezi. Nem fog maximális teljesítményt átvinni a meghajtóból a vevőbe, még akkor sem, ha a vezeték nagyon rövid, mert a meghajtó és a vevő nincs illesztve.
Miért fontos az impedanciaillesztés az átviteli vezetékben:
Ha a meghajtó és az átviteli vonal illesztése megtörtént, akkor elnyomja a reflexiót az átviteli vonal bemenetén. Ha azonban ebben az esetben a vezeték nincs illesztve a vevőhöz, akkor még mindig van reflexió a vevőnél. Hasonlóképpen, ha a vezeték nincs illesztve a meghajtóból és a vevőkészülékből, akkor ténylegesen veszít némi jelet a reflexió miatt. A vezeték, a meghajtó és a vevő impedanciájának azonos teljesítményre való beállítása biztosítja a maximális teljesítmény átvitelét a vevőhöz. Vegye figyelembe, hogy egyes jelátviteli szabványok nem a maximális teljesítményátvitelre támaszkodnak, hanem magas bemeneti impedanciára támaszkodnak a bemeneten lévő jel érzékeléséhez (pl. LVDS).
Az összeköttetés két része közötti interfészen lévő impedanciaillesztés megakadályozza a reflexiót az adott interfészen. Bármikor, amikor egy impedancia diszkontinuitásnál (pl. a meghajtó-vonal interfészen vagy a meghajtó-forrás interfészen) reflexió lép fel, a jelszintben hirtelen változás következik be, ami tranziens választ eredményez az összeköttetésben. Az ebből eredő visszaverődés csengésként (azaz túl- és visszalengésként) jelenik meg, amely a kívánt jelszintet, valamint egy lehetséges lépcsőzetes választ (digitális jeleknél) felülírja. A reflexiók egy másik problémát is okoznak, attól függően, hogy digitális vagy analóg jelekkel dolgozunk-e.
Reflexiók digitális jeleknél
Egy rosszul illesztett átviteli vonalon az ismétlődő oda-vissza reflexiók lépcsőzetes választ eredményezhetnek a vevőnél és a forrásnál látható feszültségben. Ez a lépcsőzetes válasz megjelenhet a jelszint fokozatos emelkedéseként (lásd alább egy példát) vagy fel-le lépcsőzetes stílusú válaszként, mindkettő zavarja a későbbi bejövő jeleket. Ennek eredményeképpen a vevőn látható feszültség idővel változhat, ahogy az alábbi példában látható. Vegye figyelembe, hogy az egyes visszaverődéseknél keletkező feszültségváltozáson felül a tipikus átmeneti választ az áttekinthetőség kedvéért kihagytuk.
Példa lépcsőzetes válasz egy nagysebességű digitális jelre rosszul illesztett átviteli vezetéken
Tükröződések analóg jelekkel
Mint ahogy a digitális jelek is többször visszaverődhetnek egy átviteli vezetéken, ha a vevő rosszul illeszkedik a vezetékhez, ugyanez vonatkozik az analóg jelekre is. Vannak bizonyos frekvenciák, amelyek állóhullám-rezonanciákat képeznek a vonalon, ha analóg jellel vezetjük őket. Ezek a frekvenciák a legalacsonyabb alapfrekvencia egész számú többszörösei. Ez erős sugárzást okoz az átviteli vonalból bizonyos frekvenciákon. Megjegyzendő, hogy nagyon rövid átviteli vonalak esetében ez akkor is előfordul, ha a meghajtó és a vevő nem illeszkedik egymáshoz, a vonatkozó frekvenciák csak sokkal nagyobbak lesznek, hogy az átviteli vonal rövidebb hullámhosszához igazodjanak.
Az átviteli vonalon álló hullámok azt jelentik, hogy a nyomvonalai úgy fognak viselkedni, mint ezek az antennák
A tanulság
Még ha a vezeték rövid is, a meghajtó és a vevő impedanciaillesztésére akkor is szükség van, hogy megakadályozza az ismételt visszaverődéseket és a csengést az átviteli vonalon. Emellett a pontos hossz, amely meghatározza, hogy mikor rövid egy vezeték, nincs kőbe vésve; ez az összeköttetés mentén megengedett impedancia-eltéréstől függ. Mivel egyre több eszköz működik alacsonyabb szinteken és gyorsabb élsebességgel, a megengedett eltérések egyre vékonyabbak lesznek. Ez pontosabb impedancia-vezérelt útválasztást tesz szükségessé a tervezési fázisban.
Implicit módon itt az egyvégű jelátvitelt írtuk le, de pontosan ugyanaz a vita vonatkozik a differenciális jelátvitelre; csak cseréljük le a “jellemző impedancia” kifejezést “differenciális impedanciára”, és ugyanazok a fogalmak lesznek érvényesek, bár a matematika egy kicsit más. A következő cikkekben tovább vizsgáljuk ezeket a kérdéseket, hogy segítsük a tervezőket abban, hogy a fejlettebb összekapcsolási architektúrák, jelzési szabványok és modulációs sémák esetén gyorsan meghozzák a helyes döntéseket.
Az Altium Designer® nagy teljesítményű egymásra épülő tervezési és útválasztási eszközei egy pontos mezőmegoldóval vannak integrálva, amely gyorsan meghatározza a nyomvonalak impedanciáját a lap felépítése során. Ez segít biztosítani a rendkívül pontos impedanciaillesztés fenntartását, miközben az összeköttetéseket az egész NYÁK-on végigvezeted. Ezek az eszközök egy egységes szabályvezérelt tervezőmotorra épülnek, amely számos szimulációs eszközzel kapcsolódik. Emellett egyetlen platformon belül hozzáférhet a gyártási, tervezési és dokumentációs funkciók teljes készletéhez is.
Most letöltheti az Altium Designer ingyenes próbaverzióját, és többet megtudhat az iparág legjobb layout, szimulációs és gyártástervezési eszközeiről. Beszéljen még ma egy Altium szakértővel, ha többet szeretne megtudni.