Zachariah Peterson
¿Conoce la longitud crítica de la línea de transmisión para estas trazas?
Ya sea que esté trabajando con señales digitales o analógicas, lo más probable es que necesite igualar las impedancias entre una fuente, una línea de transmisión y una carga. La razón por la que la adaptación de impedancias es importante en una línea de transmisión es para garantizar que una señal de 5 V enviada por la línea se vea como una señal de 5 V en el receptor. Si entiende por qué es importante la adaptación de la línea de transmisión, puede empezar a entender cuándo necesita hacer esto, ya sea en los extremos del conductor o del receptor de la línea.
Cuando hablamos de adaptación de la impedancia, nos referimos a establecer las impedancias del conductor, la línea de transmisión y el receptor al mismo valor. Por lo general, se trata de 50 ohmios para las líneas de transmisión de un solo extremo, aunque las normas de señalización diferencial pueden especificar valores diferentes para la adaptación de la impedancia. Aquí se explica por qué la adaptación de la impedancia es importante en una línea de transmisión y cómo implementar una impedancia consistente en las interconexiones de PCB.
Cómo se adapta la impedancia de una interconexión: 3 Casos
El objetivo de la adaptación de impedancias en una línea de transmisión es establecer una impedancia consistente en toda la interconexión. Cuando las impedancias del conductor, del receptor y de la línea de transmisión están igualadas, ocurren algunas cosas importantes, que se discutirán a continuación. Los siguientes casos deben ser tratados cuando se discute por qué la adaptación de la impedancia es importante en una línea de transmisión:
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El conductor, la línea y el receptor se adaptan a la misma impedancia. Esto puede considerarse un caso de adaptación perfecta. En este caso, no hay reflexiones a lo largo de la línea (ni en la entrada a la línea ni en la salida), y la máxima potencia se transfiere aguas abajo al receptor. La tensión de la señal sólo disminuye debido a las pérdidas por dispersión, absorción y pérdidas por efecto DC y skin.
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El conductor y el receptor están emparejados, pero la línea está desajustada. En este caso, habrá alguna reflexión en cuanto la señal se lance a la línea de transmisión. En otras palabras, cuando la línea no está adaptada al conductor, parte de la señal originada se refleja en el conductor. Esto impide que parte de la potencia se transmita a la línea de transmisión. Del mismo modo, habrá una reflexión en el extremo del receptor, y la señal viajará de vuelta al conductor.
La impedancia de entrada determinará si se transfiere la máxima potencia del conductor al receptor. En el caso de una línea de transmisión corta, la impedancia de la línea de transmisión se parecerá a la impedancia de la carga cuando la línea de transmisión sea muy corta. La cuestión de esta longitud crítica se aborda en otro artículo. Puede determinar la impedancia de entrada exacta (definida como la impedancia de la línea de transmisión después de la primera reflexión de la señal) con las siguientes ecuaciones:
Impedancia de entrada para líneas de transmisión con y sin pérdidas
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El conductor, el receptor y la línea están desajustados. En este caso, no importa la longitud de la línea de transmisión; habrá reflexiones continuas a medida que la señal viaja a lo largo de la línea, produciendo un aumento escalonado indeseable en el voltaje visto por el receptor. No se transferirá la máxima potencia del conductor al receptor, aunque la línea sea muy corta, porque el conductor y el receptor están desajustados.
Por qué es importante la adaptación de impedancias en una línea de transmisión: Reflexiones
Cuando el conductor y la línea de transmisión están igualados, se suprime una reflexión en la entrada de la línea de transmisión. Sin embargo, cuando la línea no está emparejada con el receptor en este caso, usted todavía tiene una reflexión en el receptor. Del mismo modo, si la línea no está adaptada al conductor y al receptor, se pierde efectivamente algo de señal debido a la reflexión. Si se ajusta la impedancia de la línea, el conductor y el receptor a la misma potencia, se garantiza la transferencia de la máxima potencia al receptor. Tenga en cuenta que algunos estándares de señalización no se basan en la transferencia de potencia máxima y, en cambio, se basan en una alta impedancia de entrada para detectar una señal en la entrada (por ejemplo, LVDS).
La adaptación de la impedancia en una interfaz entre dos partes de una interconexión evita las reflexiones en esa interfaz. Cada vez que se produce una reflexión en una discontinuidad de impedancia (es decir, la interfaz conductor-fuente o la interfaz conductor-fuente), se produce un cambio brusco en el nivel de la señal, lo que produce una respuesta transitoria en la interconexión. La reflexión resultante aparece como un zumbido (es decir, un sobreimpulso o un subimpulso) que se superpone al nivel de señal deseado, así como una posible respuesta escalonada (en las señales digitales). Las reflexiones crean otro problema, dependiendo de si estamos trabajando con señales digitales o analógicas.
Reflexiones con señales digitales
Las reflexiones repetidas de ida y vuelta en una línea de transmisión desajustada pueden producir una respuesta escalonada en la tensión vista en el receptor y en la fuente. Esta respuesta escalonada puede aparecer como un aumento gradual del nivel de la señal (véase un ejemplo a continuación) o como una respuesta escalonada ascendente y descendente, que interfiere con las señales entrantes posteriores. Como resultado, el voltaje visto en el receptor puede variar con el tiempo, como se muestra en el ejemplo siguiente. Tenga en cuenta que la típica respuesta transitoria sobre el cambio de voltaje producido en cada reflexión se ha omitido para mayor claridad.
Ejemplo de respuesta escalonada para una señal digital de alta velocidad en una línea de transmisión desajustada
Reflexiones con señales analógicas
Así como las señales digitales pueden reflejarse repetidamente en una línea de transmisión cuando el receptor está desajustado con la línea, lo mismo ocurre con las señales analógicas. Hay ciertas frecuencias que formarán resonancias de ondas estacionarias en una línea cuando se conduce con una señal analógica. Estas frecuencias serán un múltiplo entero de la frecuencia fundamental más baja. Esto provoca una fuerte radiación de una línea de transmisión en determinadas frecuencias. Tenga en cuenta que, en el caso de líneas de transmisión muy cortas, esto seguirá ocurriendo cuando el conductor y el receptor están desajustados, las frecuencias relevantes serán mucho más grandes para acomodar la longitud de onda más corta en la línea de transmisión.
Las ondas estacionarias en una línea de transmisión significan que sus trazos parecerán actuar como estas antenas
La conclusión
Incluso si la línea es corta, usted todavía necesita igualar la impedancia del conductor y el receptor para evitar reflexiones repetidas y anillos en una línea de transmisión. Además, la longitud exacta que define cuándo una línea es corta no está grabada en piedra; depende del desajuste de impedancia permitido a lo largo de una interconexión. Como cada vez hay más dispositivos que funcionan a niveles más bajos y velocidades de borde más rápidas, los desajustes permitidos son cada vez más estrechos. Esto requiere un enrutamiento controlado por la impedancia más preciso durante la fase de diseño.
Aquí hemos descrito implícitamente la señalización de un solo extremo, pero la misma discusión se aplica a la señalización diferencial; sólo hay que sustituir el término «impedancia característica» por «impedancia diferencial» y se aplicarán los mismos conceptos, aunque las matemáticas son un poco diferentes. Seguiremos analizando estos temas en próximos artículos para ayudar a los diseñadores a tomar rápidamente las decisiones correctas con arquitecturas de interconexión más avanzadas, estándares de señalización y esquemas de modulación.
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