Zachariah Peterson
Conhece o comprimento crítico da linha de transmissão para estes traços?
Se estiver a trabalhar com sinais digitais ou analógicos, muito provavelmente precisará de combinar impedâncias entre uma fonte, linha de transmissão e carga. A razão pela qual a correspondência de impedância é importante em uma linha de transmissão é assegurar que um sinal de 5 V enviado pela linha seja visto como um sinal de 5 V no receptor. Se você entender por que a correspondência da linha de transmissão é importante, você pode começar a entender quando você precisa fazer isso, seja nas extremidades do condutor ou do receptor da linha.
Quando falamos de correspondência de impedância, estamos nos referindo a definir as impedâncias do condutor, da linha de transmissão e do receptor para o mesmo valor. Isto é normalmente 50 Ohms para linhas de transmissão com uma extremidade, embora os padrões de sinalização diferencial possam especificar valores diferentes para a correspondência de impedância. Eis porque a correspondência de impedância é importante em uma linha de transmissão e como implementar uma impedância consistente em interconexões PCB.
Como uma interconexão é compatível com a impedância: 3 Casos
O objetivo da correspondência de impedância em uma linha de transmissão é definir uma impedância consistente ao longo de uma interconexão. Quando as impedâncias do condutor, do receptor e da linha de transmissão são combinadas, algumas coisas importantes acontecem, que serão discutidas abaixo. Os seguintes casos devem ser abordados ao discutir por que a correspondência de impedância é importante em uma linha de transmissão:
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O motorista, a linha e o receptor são combinados com a mesma impedância. Isto pode ser considerado um caso com correspondência perfeita. Neste caso, não há reflexos ao longo da linha (seja na entrada para a linha ou na saída), e a potência máxima é transferida para jusante para o receptor. A tensão no sinal só diminui devido a perdas de dispersão, absorção e perdas de DC e efeito skin.
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O condutor e o receptor estão combinados, mas a linha está desajustada. Neste caso, haverá alguma reflexão assim que o sinal for lançado para a linha de transmissão. Em outras palavras, quando a linha não é correspondida com o condutor, parte do sinal de origem é refletido de volta para o condutor. Isto impede efetivamente que alguma energia seja transmitida para a linha de transmissão. Da mesma forma, haverá um reflexo na extremidade do receptor, e o sinal voltará para o condutor.
A impedância de entrada determinará se a potência máxima é transferida do condutor para o receptor. No caso de uma linha de transmissão curta, a impedância da linha de transmissão parecerá a impedância da carga quando a linha de transmissão for muito curta. A questão deste comprimento crítico é abordada em outro artigo. Você pode determinar a impedância exata de entrada (definida como a impedância da linha de transmissão após a primeira reflexão do sinal) com as seguintes equações:
Impedância de entrada para linhas de transmissão com e sem perdas
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O motorista, o receptor e a linha estão todos desalinhados. Neste caso, não importa qual seja o comprimento da linha de transmissão; haverá reflexos contínuos à medida que o sinal viaja ao longo da linha, produzindo um aumento indesejável de escada na tensão vista pelo receptor. Você não irá transferir a potência máxima do condutor para o receptor, mesmo que a linha seja muito curta, porque o condutor e o receptor estão desajustados.
Por que a correspondência de impedância é importante em uma linha de transmissão: Reflexões
Quando o condutor e a linha de transmissão são combinados, você suprime uma reflexão na entrada da linha de transmissão. No entanto, quando a linha não é correspondida com o receptor neste caso, você ainda tem um reflexo no receptor. Da mesma forma, se a linha estiver desalinhada entre o condutor e o receptor, você perde efectivamente algum sinal devido à reflexão. Ajustar a impedância da linha, do condutor e do receptor para a mesma potência assegura-lhe a transferência da potência máxima para o receptor. Note que alguns padrões de sinalização não dependem da máxima transferência de energia e, em vez disso, dependem de uma alta impedância de entrada para detectar um sinal na entrada (por exemplo, LVDS).
A correspondência de impedância em uma interface entre duas partes de uma interconexão evita reflexos nessa interface. Sempre que há uma reflexão em uma descontinuidade de impedância (isto é, a interface da linha do driver ou a interface da fonte do driver), há uma mudança abrupta no nível do sinal, o que produz uma resposta transitória na interconexão. A reflexão resultante aparece como um zumbido (ou seja, sobreposição/sobreposição) que é sobreposto ao nível de sinal desejado, bem como uma possível resposta em degraus de escada (em sinais digitais). As reflexões criam outro problema, dependendo se estamos trabalhando com sinais digitais ou analógicos.
Reflexões com Sinais Digitais
Reflexões repetidas em uma linha de transmissão não compatível podem produzir uma resposta em passos de escada na tensão vista no receptor e na fonte. Esta resposta em escada pode aparecer como um aumento gradual no nível de sinal (veja abaixo um exemplo) ou uma resposta em escada no estilo subir e descer, ambos interferindo com os sinais de entrada subsequentes. Como resultado, a voltagem vista no receptor pode variar ao longo do tempo, como mostrado no exemplo abaixo. Note que a resposta transiente típica no topo da mudança de tensão produzida em cada reflexão foi omitida para maior clareza.
Exemplo de resposta em degrau de escada para um sinal digital de alta velocidade em uma linha de transmissão não compatível
Reflexões com sinais analógicos
Apenas os sinais digitais podem refletir repetidamente em uma linha de transmissão quando o receptor está incompatível com a linha, o mesmo se aplica aos sinais analógicos. Há certas freqüências que formarão ressonâncias de onda em pé em uma linha quando acionada com um sinal analógico. Essas freqüências serão alguns múltiplos inteiros de alguma freqüência fundamental mais baixa. Isto causa uma forte radiação de uma linha de transmissão em frequências específicas. Note que, no caso de linhas de transmissão muito curtas, isto ainda ocorrerá quando o condutor e o receptor estiverem desajustados, as frequências relevantes serão apenas muito maiores para acomodar o comprimento de onda mais curto na linha de transmissão.
Ondas de aterramento em uma linha de transmissão significam que seus traços irão parecer como estas antenas
A Takeaway
Even se a linha for curta, você ainda precisará combinar a impedância do condutor e do receptor para evitar reflexos repetidos e zumbido em uma linha de transmissão. Além disso, o comprimento exato que define quando uma linha é curta não é definido em pedra; depende do descasamento de impedância permitido ao longo de uma interconexão. À medida que mais dispositivos funcionam em níveis mais baixos e taxas de borda mais rápidas, os desajustes permitidos estão se tornando cada vez mais finos. Isso requer um roteamento mais preciso controlado por impedância durante a fase de projeto.
Descrevemos aqui implicitamente a sinalização com uma extremidade, mas a mesma discussão se aplica exatamente à sinalização diferencial; basta substituir o termo “impedância característica” por “impedância diferencial, e os mesmos conceitos serão aplicados, embora a matemática seja um pouco diferente. Continuaremos a analisar estas questões nos próximos artigos a fim de ajudar os designers a tomar rapidamente as decisões certas com arquiteturas de interconexão mais avançadas, padrões de sinalização e esquemas de modulação.
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