Zachariah Peterson
Conosci la lunghezza critica della linea di trasmissione per queste tracce?
Che tu stia lavorando con segnali digitali o analogici, molto probabilmente avrai bisogno di abbinare le impedenze tra una sorgente, una linea di trasmissione e un carico. La ragione per cui l’adattamento di impedenza è importante in una linea di trasmissione è per assicurare che un segnale di 5 V inviato lungo la linea sia visto come un segnale di 5 V al ricevitore. Se capisci perché l’adattamento della linea di trasmissione è importante, puoi iniziare a capire quando è necessario farlo, sia all’estremità del driver che a quella del ricevitore della linea.
Quando parliamo di adattamento di impedenza, ci riferiamo all’impostazione delle impedenze del driver, della linea di trasmissione e del ricevitore allo stesso valore. Questo è di solito 50 Ohm per le linee di trasmissione single-ended, anche se gli standard di segnalazione differenziale possono specificare valori diversi per l’adattamento di impedenza. Ecco perché l’adattamento di impedenza è importante in una linea di trasmissione e come implementare un’impedenza coerente nelle interconnessioni PCB.
Come un’interconnessione è abbinata all’impedenza: 3 casi
L’obiettivo dell’adattamento di impedenza in una linea di trasmissione è quello di impostare un’impedenza coerente in tutta un’interconnessione. Quando le impedenze del driver, del ricevitore e della linea di trasmissione sono abbinate, accadono alcune cose importanti, che saranno discusse di seguito. I seguenti casi dovrebbero essere affrontati quando si discute perché l’adattamento di impedenza è importante in una linea di trasmissione:
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Il driver, la linea e il ricevitore sono abbinati alla stessa impedenza. Questo può essere considerato un caso di perfetto adattamento. In questo caso, non ci sono riflessioni lungo la linea (sia all’ingresso della linea che all’uscita), e la massima potenza viene trasferita a valle del ricevitore. La tensione nel segnale diminuisce solo a causa delle perdite di dispersione, dell’assorbimento e delle perdite per effetto DC e skin.
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Il driver e il ricevitore sono abbinati, ma la linea non è abbinata. In questo caso, ci sarà una certa riflessione non appena il segnale viene lanciato nella linea di trasmissione. In altre parole, quando la linea non è abbinata al driver, parte del segnale generato viene riflesso nel driver. Questo impedisce effettivamente che una parte della potenza si trasmetta nella linea di trasmissione. Allo stesso modo, ci sarà una riflessione all’estremità del ricevitore, e il segnale viaggerà indietro verso il driver.
L’impedenza d’ingresso determinerà se la massima potenza viene trasferita dal driver al ricevitore. Nel caso di una linea di trasmissione corta, l’impedenza della linea di trasmissione sarà simile all’impedenza del carico quando la linea di trasmissione è molto corta. La questione di questa lunghezza critica è affrontata in un altro articolo. Potete determinare l’esatta impedenza d’ingresso (definita come l’impedenza della linea di trasmissione dopo la prima riflessione del segnale) con le seguenti equazioni:
Impedenza d’ingresso per linee di trasmissione con e senza perdite
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Il driver, il ricevitore e la linea sono tutti disadattati. In questo caso, non importa quale sia la lunghezza della linea di trasmissione; ci saranno continue riflessioni mentre il segnale viaggia lungo la linea, producendo un indesiderato aumento a gradini della tensione vista dal ricevitore. Non trasferirai la massima potenza dall’altoparlante al ricevitore, anche se la linea è molto corta, perché l’altoparlante e il ricevitore sono disadattati.
Perché la corrispondenza dell’impedenza è importante in una linea di trasmissione: Riflessioni
Quando il driver e la linea di trasmissione sono accoppiati, si sopprime una riflessione all’ingresso della linea di trasmissione. Tuttavia, quando la linea non è abbinata al ricevitore in questo caso, si ha ancora una riflessione al ricevitore. Allo stesso modo, se la linea è disadattata dal driver e dal ricevitore, si perde effettivamente un po’ di segnale a causa della riflessione. Impostando l’impedenza della linea, del driver e del ricevitore alla stessa potenza si assicura di trasferire la massima potenza al ricevitore. Si noti che alcuni standard di segnalazione non si basano sul massimo trasferimento di potenza e si basano invece su un’elevata impedenza d’ingresso per rilevare un segnale all’ingresso (ad esempio, LVDS).
Impedenza corrispondente a un’interfaccia tra due porzioni di un’interconnessione previene le riflessioni su tale interfaccia. Ogni volta che c’è una riflessione a una discontinuità di impedenza (cioè, l’interfaccia driver-line o l’interfaccia driver-source), c’è un brusco cambiamento nel livello del segnale, che produce una risposta transitoria nell’interconnessione. La riflessione risultante appare come un ringing (cioè, overshoot/undershoot) che si sovrappone al livello di segnale desiderato, così come una possibile risposta a gradini (nei segnali digitali). Le riflessioni creano un altro problema, a seconda che stiamo lavorando con segnali digitali o analogici.
Riflessioni con segnali digitali
Riflessioni ripetute avanti e indietro su una linea di trasmissione disadattata possono produrre una risposta a gradini nella tensione vista al ricevitore e alla sorgente. Questa risposta a gradini può apparire come un aumento graduale del livello del segnale (vedi sotto per un esempio) o una risposta a gradini su e giù, entrambi i quali interferiscono con i successivi segnali in arrivo. Come risultato, la tensione vista al ricevitore può variare nel tempo, come mostrato nell’esempio qui sotto. Si noti che la tipica risposta transitoria in cima alla variazione di tensione prodotta ad ogni riflessione è stata omessa per chiarezza.
Esempio di risposta a gradini per un segnale digitale ad alta velocità su una linea di trasmissione disadattata
Riflessioni con segnali analogici
Come i segnali digitali possono riflettere ripetutamente su una linea di trasmissione quando il ricevitore è disadattato con la linea, lo stesso vale per i segnali analogici. Ci sono certe frequenze che formeranno risonanze di onde stazionarie su una linea quando sono guidate da un segnale analogico. Queste frequenze saranno un multiplo intero della frequenza fondamentale più bassa. Questo causa una forte radiazione da una linea di trasmissione a particolari frequenze. Si noti che, nel caso di linee di trasmissione molto corte, questo si verificherà ancora quando il driver e il ricevitore sono disadattati, le frequenze rilevanti saranno solo molto più grandi per ospitare la lunghezza d’onda più corta sulla linea di trasmissione.
Le onde stazionarie su una linea di trasmissione significano che le tue tracce sembreranno agire come queste antenne
Il risultato
Anche se la linea è corta, hai ancora bisogno di abbinare l’impedenza del driver e del ricevitore per prevenire riflessioni ripetute e squilli su una linea di trasmissione. Inoltre, la lunghezza esatta che definisce quando una linea è corta non è fissata nella pietra; dipende dal mismatch di impedenza consentito lungo un’interconnessione. Poiché sempre più dispositivi funzionano a livelli più bassi e a velocità più elevate, i mismatch consentiti stanno diventando sempre più sottili. Questo richiede un routing più accurato controllato dall’impedenza durante la fase di progettazione.
Abbiamo implicitamente descritto qui la segnalazione single-ended, ma la stessa identica discussione si applica alla segnalazione differenziale; basta sostituire il termine “impedenza caratteristica” con “impedenza differenziale, e si applicheranno gli stessi concetti, sebbene la matematica sia un po’ diversa. Continueremo a guardare questi problemi nei prossimi articoli per aiutare i progettisti a prendere rapidamente le giuste decisioni con architetture di interconnessione più avanzate, standard di segnalazione e schemi di modulazione.
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