Zachariah Peterson
Känner du till den kritiska längden för överföringsledningen för dessa spår?
Oavsett om du arbetar med digitala eller analoga signaler behöver du troligen matcha impedanserna mellan en källa, överföringsledning och last. Anledningen till att impedansmatchning är viktig i en överföringsledning är för att säkerställa att en 5 V-signal som skickas ner i ledningen uppfattas som en 5 V-signal i mottagaren. Om du förstår varför matchning av överföringsledningar är viktigt kan du börja förstå när du behöver göra detta, antingen i ledningens driv- eller mottagarändar.
När vi talar om impedansmatchning syftar vi på att ställa in driv-, överföringslednings- och mottagarimpedanserna på samma värde. Detta är vanligtvis 50 ohm för enkelriktade överföringsledningar, även om standarder för differentiell signalering kan ange olika värden för impedansanpassning. Här beskrivs varför impedansmatchning är viktigt i en överföringsledning och hur man implementerar en konsekvent impedans i PCB-anslutningar.
Hur en anslutning är impedansmatchad: 3 fall
Målet med impedansmatchning i en överföringsledning är att ställa in en konsekvent impedans i hela sammankopplingen. När impedanserna för drivare, mottagare och överföringsledning är matchade händer några viktiga saker som kommer att diskuteras nedan. Följande fall bör tas upp när man diskuterar varför impedansanpassning är viktigt i en överföringsledning:
-
Drivrutinen, ledningen och mottagaren anpassas till samma impedans. Detta kan betraktas som ett fall med perfekt anpassning. I detta fall finns det inga reflektioner längs linjen (varken vid ingången till linjen eller vid utgången) och maximal effekt överförs nedströms till mottagaren. Spänningen i signalen minskar endast på grund av spridningsförluster, absorption och DC- och skin-effektförluster.
-
Driveren och mottagaren är matchade, men ledningen är felmatchad. I det här fallet kommer det att ske en viss reflektion så snart signalen sänds ut i överföringsledningen. Med andra ord, när ledningen inte är matchad mot drivrutinen, reflekteras en del av den uppkomna signalen tillbaka till drivrutinen. Detta förhindrar effektivt att en del effekt överförs till överföringsledningen. På samma sätt kommer det att ske en reflektion i mottagaränden och signalen kommer att gå tillbaka till drivrutinen.
Ingångsimpedansen avgör om maximal effekt överförs från drivrutinen till mottagaren. Vid en kort överföringsledning kommer överföringsledningens impedans att se ut som belastningens impedans när överföringsledningen är mycket kort. Frågan om denna kritiska längd tas upp i en annan artikel. Du kan bestämma den exakta ingångsimpedansen (definierad som överföringsledningens impedans efter den första signalreflektionen) med följande ekvationer:
Ingangsimpedans för förlustfyllda och förlustfria överföringsledningar
-
Drivaren, mottagaren och ledningen är alla missanpassade. I det här fallet spelar det ingen roll hur lång överföringsledningen är; det kommer att ske kontinuerliga reflektioner när signalen färdas längs ledningen, vilket ger en oönskad trappstegsökning av den spänning som mottagaren ser. Du kommer inte att överföra maximal effekt från föraren till mottagaren, även om ledningen är mycket kort, eftersom föraren och mottagaren är felanpassade.
Varför impedansmatchning är viktigt i en överföringsledning: Reflektioner
När drivdonet och överföringsledningen är matchade undertrycker man en reflektion vid överföringsledningens ingång. Men när ledningen inte är anpassad till mottagaren i det här fallet har du fortfarande en reflektion vid mottagaren. På samma sätt, om ledningen är felanpassad från drivdonet och mottagaren, förlorar du effektivt en del signal på grund av reflektion. Genom att ställa in impedansen för linjen, drivrutinen och mottagaren på samma effekt säkerställer du att du överför maximal effekt till mottagaren. Observera att vissa signalstandarder inte förlitar sig på maximal effektöverföring utan istället förlitar sig på hög ingångsimpedans för att känna av en signal vid ingången (t.ex. LVDS).
Impedansanpassning vid ett gränssnitt mellan två delar av en sammankoppling förhindrar reflexioner vid det gränssnittet. Varje gång det sker en reflektion vid en impedansskillnad (dvs. gränssnittet mellan drivledare och linje eller mellan drivledare och källa) sker en plötslig förändring av signalnivån, vilket ger upphov till en transient reaktion i sammankopplingen. Den resulterande reflektionen visas som ringning (dvs. översvängning/undersvängning) som läggs ovanpå den önskade signalnivån samt en eventuell trappstegsrespons (i digitala signaler). Reflektioner skapar ett annat problem, beroende på om vi arbetar med digitala eller analoga signaler.
Reflektioner med digitala signaler
Upprepade reflektioner fram och tillbaka på en missanpassad överföringsledning kan ge ett trappstegsrespons i den spänning som ses vid mottagaren och källan. Denna trappstegsreaktion kan uppträda som en gradvis ökning av signalnivån (se exempel nedan) eller som en upp- och nedåtgående trappstegsreaktion, vilka båda stör efterföljande inkommande signaler. Som ett resultat av detta kan den spänning som ses vid mottagaren variera över tiden, vilket visas i exemplet nedan. Observera att den typiska transienta reaktionen utöver den spänningsförändring som uppstår vid varje reflektion har utelämnats för tydlighetens skull.
Exempel på trappstegsrespons för en digital höghastighetssignal på en missanpassad transmissionsledning
Reflexioner med analoga signaler
Samma som att digitala signaler kan reflekteras upprepade gånger på en transmissionsledning när mottagaren är missanpassad med ledningen, gäller samma sak för analoga signaler. Det finns vissa frekvenser som bildar stående vågresonanser på en ledning när den drivs med en analog signal. Dessa frekvenser är en helhetsmultipel av den lägsta grundfrekvensen. Detta orsakar stark strålning från en överföringsledning vid vissa frekvenser. Observera att när det gäller mycket korta överföringsledningar kommer detta fortfarande att inträffa när drivdonet och mottagaren är felanpassade, de relevanta frekvenserna kommer bara att vara mycket större för att ta hänsyn till den kortare våglängden på överföringsledningen.
Stående vågor på en överföringsledning innebär att dina spår kommer att verka som dessa antenner
Den bästa lösningen
Även om ledningen är kort måste du fortfarande impedansanpassa drivdonet och mottagaren för att förhindra upprepade reflektioner och ringningar på en överföringsledning. Den exakta längden som definierar när en ledning är kort är inte heller fastställd i sten; den beror på den tillåtna impedansmissanpassningen längs en sammankoppling. I takt med att fler enheter körs på lägre nivåer och med snabbare kanthastigheter blir de tillåtna missanpassningarna alltmer knivskarpa. Detta kräver mer exakt impedansstyrd routing under konstruktionsfasen.
Vi har implicit beskrivit enkelriktad signalering här, men exakt samma diskussion gäller för differentiell signalering; byt bara ut termen ”karakteristisk impedans” mot ”differentiell impedans”, och samma begrepp kommer att gälla, även om matematiken är lite annorlunda. Vi kommer att fortsätta att titta på dessa frågor i kommande artiklar för att hjälpa konstruktörer att snabbt fatta rätt beslut med mer avancerade sammankopplingsarkitekturer, signalstandarder och moduleringsscheman.
De kraftfulla verktygen för stackup-design och routing i Altium Designer® är integrerade med en noggrann fältsolver, som snabbt bestämmer impedansen för dina spår när du bygger ditt kretskort. Detta hjälper dig att se till att du upprätthåller en extremt noggrann impedansmatchning när du dirigerar dina sammankopplingar genom hela kretskortet. De här verktygen är byggda på en enhetlig regelstyrd konstruktionsmotor som har gränssnitt mot ett antal simuleringsverktyg. Du får också tillgång till en komplett uppsättning funktioner för tillverkning, planering och dokumentation i en enda plattform.
Nu kan du ladda ner en gratis provversion av Altium Designer och lära dig mer om branschens bästa verktyg för layout, simulering och produktionsplanering. Prata med en Altium-expert idag för att få veta mer.