Zachariah Peterson
Czy znasz długość krytyczną linii transmisyjnej dla tych ścieżek?
Czy pracujesz z sygnałami cyfrowymi czy analogowymi, najprawdopodobniej będziesz musiał dopasować impedancje między źródłem, linią transmisyjną i obciążeniem. Powodem, dla którego dopasowanie impedancji jest ważne w linii transmisyjnej jest zapewnienie, że sygnał 5 V wysłany w dół linii jest postrzegany jako sygnał 5 V w odbiorniku. Jeśli rozumiesz, dlaczego dopasowanie linii transmisyjnej jest ważne, można zacząć rozumieć, kiedy trzeba to zrobić, albo w kierowcy lub odbiornika końcach linii.
Gdy mówimy o dopasowanie impedancji, mamy na myśli ustawienie kierowcy, linii transmisyjnej i impedancji odbiornika do tej samej wartości. Jest to zazwyczaj 50 Ohm dla linii przesyłowych single-ended, chociaż różne standardy sygnalizacji mogą określać inne wartości dopasowania impedancji. Oto dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w linii transmisyjnej i jak zaimplementować spójną impedancję w połączeniach PCB.
Jak dopasowuje się impedancję w interkonektach: 3 Cases
Celem dopasowania impedancji w linii transmisyjnej jest ustawienie spójnej impedancji w całym interkonekcie. Kiedy impedancje sterownika, odbiornika i linii transmisyjnej są dopasowane, dzieje się kilka ważnych rzeczy, które zostaną omówione poniżej. Przy omawianiu, dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w linii transmisyjnej, należy zwrócić uwagę na następujące przypadki:
-
Sterownik, linia i odbiornik są dopasowane do tej samej impedancji. Można to uznać za przypadek z idealnym dopasowaniem. W tym przypadku nie ma żadnych odbić wzdłuż linii (ani na wejściu do linii, ani na wyjściu), a maksymalna moc jest przekazywana w dół linii do odbiornika. Napięcie w sygnale zmniejsza się tylko ze względu na straty związane z rozpraszaniem, absorpcję oraz straty związane z efektem stałoprądowym i naskórkowym.
-
Sterownik i odbiornik są dopasowane, ale linia jest niedopasowana. W tym przypadku wystąpi pewne odbicie, gdy tylko sygnał zostanie wprowadzony do linii transmisyjnej. Innymi słowy, gdy linia nie jest dopasowana do sterownika, część sygnału jest odbijana z powrotem do sterownika. To skutecznie zapobiega przekazywaniu części mocy do linii transmisyjnej. Podobnie, nastąpi odbicie na końcu odbiornika, a sygnał będzie podróżował z powrotem do sterownika.
Impedancja wejściowa określi, czy maksymalna moc jest przenoszona ze sterownika do odbiornika. W przypadku krótkiej linii transmisyjnej, impedancja linii transmisyjnej będzie wyglądała jak impedancja obciążenia, gdy linia transmisyjna jest bardzo krótka. Kwestia tej krytycznej długości jest poruszana w innym artykule. Można wyznaczyć dokładną impedancję wejściową (zdefiniowaną jako impedancja linii transmisyjnej po pierwszym odbiciu sygnału) za pomocą następujących równań:
Impedancja wejściowa dla stratnych i bezstratnych linii transmisyjnych
-
Sterownik, odbiornik i linia są niedopasowane. W tym przypadku nie ma znaczenia długość linii transmisyjnej; będą występować ciągłe odbicia podczas podróży sygnału wzdłuż linii, powodując niepożądany schodkowy wzrost napięcia widzianego przez odbiornik. Nie przeniesiesz maksymalnej mocy z przetwornika do odbiornika, nawet jeśli linia jest bardzo krótka, ponieważ przetwornik i odbiornik są niedopasowane.
Dlaczego dopasowanie impedancji jest ważne w linii transmisyjnej: Reflections
Gdy driver i linia transmisyjna są dopasowane, tłumisz odbicie na wejściu linii transmisyjnej. Jednakże, gdy linia nie jest dopasowana do odbiornika w tym przypadku, nadal masz odbicie na odbiorniku. Podobnie, jeśli linia jest niedopasowana ze sterownika i odbiornika, efektywnie tracimy część sygnału z powodu odbicia. Ustawienie impedancji linii, kierowcy i odbiornika do tej samej mocy zapewnia transfer maksymalnej mocy do odbiornika. Należy pamiętać, że niektóre standardy sygnalizacji nie polegają na maksymalnym transferze mocy i zamiast tego polegają na wysokiej impedancji wejściowej, aby wyczuć sygnał na wejściu (np. LVDS).
Dopasowanie impedancji na interfejsie pomiędzy dwoma częściami interkonektu zapobiega odbiciom na tym interfejsie. W każdym przypadku, gdy istnieje odbicie na nieciągłości impedancji (tj. interfejs driver-line, lub interfejs driver-źródło), jest gwałtowna zmiana poziomu sygnału, który produkuje odpowiedzi przejściowej w interconnect. Wynikające z tego odbicia pojawiają się jako dzwonienie (tj. przeregulowanie/odstrojenie), które nakłada się na pożądany poziom sygnału, jak również możliwa odpowiedź schodkowa (w sygnałach cyfrowych). Refleksje stworzyć inny problem, w zależności od tego, czy pracujemy z sygnałów cyfrowych lub analogowych.
Refleksje z Digital Signals
Powtarzające się back-and-forth odbicia na niedopasowanej linii transmisyjnej może produkować stair-step odpowiedź w napięciu widzianym na odbiorniku i źródła. Ta odpowiedź stair-step może pojawić się jako stopniowy wzrost poziomu sygnału (patrz poniżej dla przykładu) lub w górę iw dół stair-step stylu odpowiedzi, z których oba zakłócają kolejne sygnały przychodzące. W rezultacie napięcie widziane na odbiorniku może zmieniać się w czasie, jak pokazano w poniższym przykładzie. Zauważ, że typowa odpowiedź przejściowa na szczycie zmiany napięcia wytwarzanego przy każdym odbiciu została pominięta dla jasności.
Przykładowa odpowiedź schodkowa dla szybkiego sygnału cyfrowego na niedopasowanej linii transmisyjnej
Refleksje z sygnałami analogowymi
Tak jak sygnały cyfrowe mogą odbijać się wielokrotnie na linii transmisyjnej, gdy odbiornik jest niedopasowany do linii, to samo dotyczy sygnałów analogowych. Istnieją pewne częstotliwości, które będą tworzyć rezonanse fali stojącej na linii, gdy napędzany z sygnałem analogowym. Częstotliwości te będą jakąś całkowitą wielokrotnością jakiejś najniższej częstotliwości podstawowej. Powoduje to silne promieniowanie z linii transmisyjnej w poszczególnych częstotliwościach. Zauważ, że w przypadku bardzo krótkich linii transmisyjnych, to nadal będzie występować, gdy kierowca i odbiornik są niedopasowane, odpowiednie częstotliwości będą po prostu znacznie większe, aby pomieścić krótszą długość fali na linii transmisyjnej.
Fale stojące na linii transmisyjnej oznaczają, że twoje ślady będą wyglądały, jakby zachowywały się jak te anteny
The Takeaway
Nawet jeśli linia jest krótka, nadal musisz dopasować impedancję sterownika i odbiornika, aby zapobiec powtarzającym się odbiciom i dzwonieniu na linii transmisyjnej. Ponadto dokładna długość, która definiuje, kiedy linia jest krótka, nie jest ustalona w kamieniu; zależy od dopuszczalnego niedopasowania impedancji wzdłuż interkonektu. Ponieważ coraz więcej urządzeń pracuje na niższych poziomach i szybszych częstotliwościach, dopuszczalne niedopasowania stają się coraz bardziej cienkie. Wymaga to dokładniejszego routingu sterowanego impedancją podczas fazy projektowania.
W sposób dorozumiany opisaliśmy tutaj sygnalizację single-ended, ale dokładnie ta sama dyskusja dotyczy sygnalizacji różnicowej; wystarczy zastąpić termin „impedancja charakterystyczna” terminem „impedancja różnicowa, a te same koncepcje będą miały zastosowanie, aczkolwiek matematyka jest nieco inna. Będziemy kontynuować analizę tych zagadnień w kolejnych artykułach, aby pomóc projektantom w szybkim podejmowaniu właściwych decyzji przy bardziej zaawansowanych architekturach połączeń, standardach sygnalizacji i schematach modulacji.
Wydajne narzędzia do projektowania stosów i trasowania w Altium Designer® są zintegrowane z dokładnym solverem pola, który szybko określa impedancję ścieżek podczas budowania płyty. Pomaga to w utrzymaniu bardzo dokładnego dopasowania impedancji podczas trasowania połączeń na całej płytce PCB. Narzędzia te są zbudowane na bazie zunifikowanego silnika projektowego opartego na regułach, który współpracuje z wieloma narzędziami symulacyjnymi. Będziesz mieć również dostęp do pełnego zestawu funkcji produkcyjnych, planowania i dokumentacji w jednej platformie.
Teraz możesz pobrać bezpłatną wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.