¿Por qué la coincidencia de impedancia solo para ciertas señales y no para otras señales?

Lo importante es el tiempo de subida (no la frecuencia de repetición del pulso) de la señal, en comparación con la longitud de la traza.

Si la señal puede hacer varios viajes de ida y vuelta de la línea entre el conductor y el receptor durante el tiempo de subida de la señal, podemos ignorar los efectos de la línea de transmisión. Con una traza de 200 mm de largo, que es aproximadamente 1 ns de longitud eléctrica suponiendo una construcción típica, un tiempo de subida de varios nanosegundos será lo suficientemente lento como para funcionar sin terminar. Un tiempo de subida sub-ns sin duda causará problemas a menos que el seguimiento finalice correctamente.

La forma más fácil de ver lo que está pasando es usar un simulador. Este es el circuito que voy a simular. Un paso de 5 V con un tiempo de subida de 10 nS alimenta una línea de transmisión de 100 Ω. Las resistencias de terminación en serie serán de 10 Ω para un controlador no coincidente o de 110 Ω (más o menos coincidentes, queda suficiente desajuste para ver qué está pasando). La terminación de derivación está ausente o casi igualada a 110 Ω.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Comencemos con el caso ideal, con terminación en derivación, a continuación. La resistencia de rechazo es de 110 Ω, la resistencia en serie es de 10 Ω, para representar una impedancia de salida finita del controlador. Esto es costoso en términos de potencia de accionamiento, ya que el controlador tiene que impulsar la impedancia completa de la línea con el paso y la resistencia de terminación en CC.

La línea tiene una longitud de 40 ns, lo que significa que el paso de entrada ha hecho su movimiento completo mucho antes de que regresen los reflejos.

Puede ver el efecto del pequeño desajuste a medida que regresan los reflejos, pero solo producen una pequeña ondulación en la forma de onda final. La forma de onda de conmutación es ideal en todos los puntos de la línea de transmisión.

Ahora usemos una forma más barata de terminación, serie, a continuación. La resistencia en serie es de 110 Ω con el circuito abierto en derivación. El controlador solo tiene que conducir 210 Ω con el paso y sin alimentación de controlador de CC.

Solo tenemos una forma de onda limpia al final de la línea. Los puntos inicial y medio de la línea ascienden inicialmente a 2,5 V, debido a la división de tensión entre la resistencia en serie y la impedancia de línea. Permanecen allí hasta que el reflejo regresa desde el final de la línea y eleva el voltaje a los 5 V completos. Si tuviéramos puertas lógicas conectadas a esos puntos, especialmente las entradas de reloj, podrían oscilar. La terminación en serie solo se puede utilizar para controlar un solo receptor al final de la línea.

¿Qué pasa si no terminamos una línea tan larga? La resistencia en serie es de 10 Ω, un controlador bastante fuerte sin ningún intento de emparejamiento, a continuación.

Sin la división de tensión de la resistencia en serie, la línea sube más o menos hasta la tensión total de una sola vez. Sin embargo, cuando regresa el reflejo, aumenta el voltaje al doble, lo que hará que los diodos del sustrato conduzcan en las entradas a las puertas. Estos solo están diseñados para proteger las entradas de EMI, y la corriente a través de ellos podría alterar el funcionamiento normal, posiblemente incluso el bloqueo.

Peor aún, cuando se produce el siguiente reflejo, el voltaje cae por debajo de 2,5 V, lo que significa que una entrada de reloj verá un segundo borde. A medida que pasa el tiempo, los reflejos disminuyen y la energía se absorbe gradualmente en la resistencia de salida del controlador. En algún momento, los reflejos dejarán de cambiar cualquier entrada de reloj en la línea.

Finalmente, echemos un vistazo a una línea corta, a continuación. Todavía no está terminado, sin resistencia de derivación y una resistencia en serie de 10 Ω. El tiempo de subida del paso de entrada sigue siendo de 10 ns, pero la línea se ha reducido a 2 ns, aproximadamente 16" o 400 mm de pista en una placa.

Cuando el reflejo regresa al extremo de la fuente de la línea, el voltaje de la fuente no ha aumentado mucho y la señal reflejada aún es bastante pequeña. Aunque puede ver que los reflejos influyen en la trayectoria de la forma de onda, la señal sigue siendo "suficientemente limpia". No hay transiciones adicionales que crucen 2,5 V. El timbre en la parte superior de la forma de onda probablemente no encienda ningún diodo de sustrato en el receptor.

En algún punto entre 2 ns y 40 ns, la forma de onda superará algún umbral de aceptabilidad. ¿Quizás > 1 V de sobreimpulso? ¿Quizás el borde de ataque de la forma de onda de voltaje se vuelve no monótono? ¿Quizás la forma de onda cae por debajo del umbral de conmutación? Cualquier situación particular puede tener su propio criterio para una operación exitosa. Pero bastante lejos del umbral, podemos ver fácilmente lo que queremos decir con 'lo suficientemente corto para estar bien' y 'lo suficientemente largo para dar un problema'.

La falta de coincidencia de impedancia provoca reflejos de la señal, por lo que para cada borde de la señal, se generan bordes adicionales a medida que los ecos y los ecos de los ecos se superponen.

Esto se puede tolerar siempre que la amplitud del reflejo sea pequeña, o el tiempo de retardo del reflejo sea lo suficientemente corto como para que esto solo provoque una mala forma del borde de transición, pero no afecte al símbolo en sí.

El retardo de tiempo de las reflexiones se define por la longitud de la línea de transmisión entre puntos con desajustes, y la velocidad de transmisión define el tiempo del símbolo.

Por lo tanto, se requiere la adaptación de impedancia para velocidades altas o líneas de transmisión largas, y con velocidades más altas, el umbral para "largas" se reduce.

La coincidencia de impedancia siempre es una preocupación. Siempre hay que prestarle atención. Sin embargo, con algo como un bus I2C, hay una forma definida de controlar el bus (en este caso, la salida del colector abierto con una resistencia pull-up del bus de, por ejemplo, 470R) que ya tiene esto en cuenta.

La coincidencia de impedancia es un concepto eléctrico universal que se aplica cada vez que intenta pasar una señal de un circuito a otro.

La línea se dibuja MUY vagamente aproximadamente cuando la longitud del rastro de la señal se aproxima a un cuarto de longitud de onda de la señal que transporta. Sin embargo, mucho depende del blindaje, la impedancia característica, cómo se impulsa, etc. También depende del componente de frecuencia máxima de los tiempos de subida y bajada de la señal. Entonces, si (digamos) tiene una señal digital de 100 MHz que tiene 5 ns de alto y 5 ns de bajo. Si desea bordes razonables, eso es una subida y bajada de 1 ns, o 1 GHz. En términos de longitud de onda, eso es aproximadamente 30 cm. Una cuarta parte de eso es 7 cm, por lo que es casi seguro que necesita una coincidencia de impedancia para minimizar los reflejos, etc.

Quizás se pregunte por qué la teoría de la línea de transmisión no analiza los rastros de algunas interfaces. El siguiente es un análisis simple del impacto de la longitud de la traza: En referencia a la impedancia de entrada de la línea de transmisión sin pérdidas ,

Tenga en cuenta que el timbre de los pulsos aún puede ocurrir dependiendo de los polos de$Z_L$.