Why Impedance Matching is Important in a Transmission Line

Zachariah Peterson

Weet u de kritische lengte van de transmissielijn voor deze sporen?

Of u nu met digitale of analoge signalen werkt, u zult hoogstwaarschijnlijk impedanties moeten afstemmen tussen een bron, transmissielijn en belasting. De reden waarom impedantieaanpassing in een transmissielijn belangrijk is, is om ervoor te zorgen dat een signaal van 5 V dat door de lijn wordt gestuurd, bij de ontvanger wordt gezien als een signaal van 5 V. Als u begrijpt waarom aanpassing van de transmissielijn belangrijk is, kunt u beginnen te begrijpen wanneer u dit moet doen, hetzij aan de driver- of aan de ontvangerkant van de lijn.

Wanneer we het hebben over impedantieaanpassing, verwijzen we naar het instellen van de driver-, transmissielijn-, en ontvangerimpedanties op dezelfde waarde. Dit is gewoonlijk 50 Ohm voor single-ended transmissielijnen, hoewel normen voor differentiële signalering andere waarden voor impedantieaanpassing kunnen voorschrijven. Hier leest u waarom impedantieaanpassing belangrijk is in een transmissielijn en hoe u consistente impedantie kunt implementeren in PCB-interconnects.

Hoe een interconnect impedantieaanpassing krijgt: 3 Cases

Het doel van impedantieaanpassing in een transmissielijn is om een consistente impedantie in te stellen voor een hele interconnect. Wanneer de impedanties van de driver, de ontvanger en de transmissielijn op elkaar zijn afgestemd, gebeuren er een paar belangrijke dingen, die hieronder zullen worden besproken. De volgende gevallen moeten worden behandeld wanneer wordt besproken waarom impedantieaanpassing belangrijk is in een transmissielijn:

• De driver, de lijn en de ontvanger zijn afgestemd op dezelfde impedantie. Dit kan worden beschouwd als een geval van perfecte aanpassing. In dit geval zijn er geen reflecties langs de lijn (noch aan de ingang van de lijn, noch aan de uitgang), en wordt het maximale vermogen stroomafwaarts naar de ontvanger overgebracht. De spanning in het signaal neemt alleen af door verstrooiingsverliezen, absorptie, en DC- en skin-effectverliezen.

• De driver en receiver zijn op elkaar afgestemd, maar de lijn is niet op elkaar afgestemd. In dit geval zal er enige reflectie optreden zodra het signaal in de transmissielijn wordt gelanceerd. Met andere woorden, wanneer de lijn niet is afgestemd op de driver, wordt een deel van het opgewekte signaal teruggekaatst naar de driver. Dit voorkomt effectief dat een deel van het vermogen in de transmissielijn terechtkomt. Op dezelfde manier zal er reflectie zijn aan de kant van de ontvanger, en zal het signaal terugreizen naar de driver.

De ingangsimpedantie zal bepalen of er maximaal vermogen wordt overgebracht van de driver naar de ontvanger. In het geval van een korte transmissielijn zal de impedantie van de transmissielijn lijken op de impedantie van de belasting wanneer de transmissielijn zeer kort is. De kwestie van deze kritische lengte wordt in een ander artikel behandeld. U kunt de exacte ingangsimpedantie (gedefinieerd als de impedantie van de transmissielijn na de eerste signaalreflectie) bepalen met de volgende vergelijkingen:

Ingangsimpedantie voor verlieslijdende en verliesloze transmissielijnen

• De driver, ontvanger en lijn zijn allemaal slecht op elkaar afgestemd. In dit geval maakt het niet uit wat de lengte van de transmissielijn is; er zullen voortdurend reflecties zijn terwijl het signaal langs de lijn loopt, wat een ongewenste trapsgewijze toename van de spanning veroorzaakt die door de ontvanger wordt waargenomen. U kunt niet het maximale vermogen van de driver naar de ontvanger overbrengen, zelfs niet als de lijn erg kort is, omdat de driver en de ontvanger niet op elkaar zijn afgestemd.

Waarom impedantie-overeenstemming belangrijk is in een transmissielijn: Reflecties

Wanneer de driver en de transmissielijn op elkaar zijn afgestemd, onderdruk je een reflectie aan de ingang van de transmissielijn. Wanneer de lijn echter niet is afgestemd op de ontvanger in dit geval, is er nog steeds sprake van reflectie bij de ontvanger. Op dezelfde manier, als de lijn niet is afgestemd op de driver en de ontvanger, verlies je effectief wat signaal door reflectie. Door de impedantie van de lijn, de driver en de ontvanger op hetzelfde vermogen in te stellen, zorgt u ervoor dat u een maximaal vermogen naar de ontvanger overdraagt. Merk op dat sommige signaalstandaarden niet vertrouwen op maximale vermogensoverdracht en in plaats daarvan vertrouwen op hoge ingangsimpedantie om een signaal aan de ingang te detecteren (bijv. LVDS).

Impedantieaanpassing op een interface tussen twee delen van een interconnectie voorkomt reflecties op die interface. Telkens wanneer er een reflectie optreedt bij een impedantie-onderbreking (d.w.z. de interface tussen driver en lijn, of de interface tussen driver en bron), treedt er een abrupte verandering op in het signaalniveau, hetgeen een transiënte respons in de interconnectie teweegbrengt. De resulterende reflectie verschijnt als ringing (d.w.z. overshoot/undershoot) die bovenop het gewenste signaalniveau komt, alsmede een mogelijke trapsgewijze respons (in digitale signalen). Reflecties vormen een ander probleem, afhankelijk van het feit of we met digitale of analoge signalen werken.

Reflecties bij Digitale Signalen

Herhaalde heen-en-weer reflecties op een slecht aangepaste transmissielijn kunnen een trapsgewijze respons veroorzaken in de spanning die bij de ontvanger en de bron wordt waargenomen. Deze trapsgewijze reactie kan zich voordoen als een geleidelijke verhoging van het signaalniveau (zie hieronder voor een voorbeeld) of een op-en-neer trapsgewijze reactie, die beide interfereren met latere inkomende signalen. Als gevolg hiervan kan de spanning op de ontvanger variëren in de tijd, zoals in het onderstaande voorbeeld. Merk op dat de typische transiënte reactie bovenop de spanningsverandering die bij elke reflectie wordt geproduceerd, voor de duidelijkheid is weggelaten.

Voorbeeld trapvormige reactie voor een digitaal signaal met hoge snelheid op een verkeerd aangepaste transmissielijn

Reflecties met analoge signalen

Net zoals digitale signalen herhaaldelijk kunnen reflecteren op een transmissielijn wanneer de ontvanger niet goed is afgestemd op de lijn, geldt hetzelfde voor analoge signalen. Er zijn bepaalde frequenties die op een lijn staande golfresonanties zullen vormen wanneer zij met een analoog signaal worden aangedreven. Deze frequenties zullen een geheel veelvoud zijn van een laagste fundamentele frequentie. Dit veroorzaakt een sterke straling van een transmissielijn bij bepaalde frequenties. Merk op dat, in het geval van zeer korte transmissielijnen, dit nog steeds zal voorkomen wanneer de driver en de ontvanger niet op elkaar zijn afgestemd, de relevante frequenties zullen gewoon veel groter zijn om de kortere golflengte op de transmissielijn op te vangen.

Golven die op een transmissielijn staan, betekenen dat uw sporen zich als deze antennes zullen gedragen

The Takeaway

Zelfs als de lijn kort is, moet u nog steeds de impedantie van de driver en de ontvanger op elkaar afstemmen om herhaalde reflecties en rinkelen op een transmissielijn te voorkomen. Bovendien is de precieze lengte die bepaalt wanneer een lijn kort is, niet in steen gebeiteld; deze is afhankelijk van de toegestane impedantie-mismatch langs een interconnectie. Naarmate meer apparaten op lagere niveaus en snellere randfrequenties werken, worden de toegestane mismatches steeds dunner. Dit vereist nauwkeuriger impedantie-gecontroleerde routing tijdens de ontwerpfase.

We hebben hier impliciet single-ended signalering beschreven, maar exact dezelfde discussie is van toepassing op differentiële signalering; vervang gewoon de term “karakteristieke impedantie” door “differentiële impedantie”, en dezelfde concepten zijn van toepassing, zij het dat de wiskunde een beetje anders is. We zullen deze kwesties in komende artikelen verder bekijken om ontwerpers te helpen snel de juiste beslissingen te nemen bij meer geavanceerde interconnectie-architecturen, signaleringsstandaarden en modulatieschema’s.

De krachtige stackup ontwerp- en routingtools in Altium Designer® zijn geïntegreerd met een nauwkeurige veldoplosser, die snel de impedantie van uw sporen bepaalt terwijl u uw bord bouwt. Dit helpt u bij het handhaven van ultra-nauwkeurige impedantie matching als u uw interconnects route door uw PCB. Deze tools zijn gebouwd op basis van een uniforme, regelgestuurde ontwerpmotor die gekoppeld is aan een aantal simulatietools. U heeft ook toegang tot een complete set van productie, planning, en documentatie functies in een enkel platform.

Nu kunt u een gratis proefversie van Altium Designer downloaden en meer te weten komen over de beste layout, simulatie, en productie planning tools in de industrie. Praat met een Altium expert vandaag nog voor meer informatie.