Por qué la adaptación de impedancias sólo para determinadas señales y no para otras

Question

Tengo una pregunta.

Normalmente, en interfaces de comunicación normales como I2C, SPI o incluso interfaces GPIO normales, no las asociamos con la adaptación de impedancias.

Pero para ciertas señales (no sé qué señales son esas. Pero he leído señales de alta velocidad requieren adaptación de impedancia) , requerimos adaptación de impedancia.

¿Por qué para algunas señales se requiere adaptación de impedancia y para otras señales no asociamos adaptación de impedancia? Incluso SPI también transfiere datos a una velocidad máxima de 10Mbps.

¿Dónde se traza la línea y por qué se traza?

Answer 1

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

Si la señal puede dar varias vueltas por la línea entre el conductor y el receptor durante el tiempo de subida de la señal, entonces podemos ignorar los efectos de la línea de transmisión. Con una traza de 200 mm de longitud, 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 terminación. Un tiempo de subida inferior a ns causará problemas, a menos que la traza esté bien terminada.

La forma más fácil de ver lo que ocurre es utilizar un simulador. Este es el circuito que voy a simular. Un escalón de 5 V con un tiempo de subida de 10 nS alimenta una línea de transmisión de 100. Las resistencias de terminación en serie serán de 10 para un conductor desajustado, o de 110 (más o menos ajustado, con suficiente desajuste para ver lo que está pasando). La terminación en derivación puede estar ausente o casi igualada a 110 .

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Empecemos con el caso ideal, con terminación en derivación, a continuación. La resistencia shun es 110 , la resistencia serie es 10 , para representar una impedancia de salida del driver finita. Esto es caro en términos de potencia de accionamiento, ya que el conductor tiene que conducir toda la impedancia de la línea con el paso, y la resistencia de terminación en DC.

La línea tiene una duración de 40 ns, lo que significa que el paso de entrada ha realizado su oscilación completa mucho antes de que regrese cualquier reflexión.

Puedes ver el efecto del pequeño desajuste cuando vuelven las reflexiones, pero sólo 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 vamos a utilizar una forma más barata de terminación, en serie, a continuación. La resistencia en serie es 110 con la derivación en circuito abierto. El conductor sólo tiene que conducir 210 con el paso, y sin alimentación del conductor de CC.

Sólo tenemos una forma de onda limpia al final de la línea. Los puntos inicial y medio de la línea suben inicialmente a 2,5 V, debido a la división de tensión entre la resistencia en serie y la impedancia de la línea. Permanecen ahí hasta que la reflexión vuelve desde el final de la línea y eleva la tensión a los 5 V completos. Si tuviéramos puertas lógicas conectadas a esos puntos, especialmente entradas de reloj, podrían oscilar. La terminación en serie sólo puede utilizarse para controlar un único receptor al final de la línea.

¿Qué pasa si no terminamos una línea tan larga? La resistencia en serie es de 10 , un conductor bastante fuerte sin intento de adaptación, abajo.

Sin la división de tensión de la resistencia en serie, la línea sube más o menos a toda la tensión de golpe. Sin embargo, cuando vuelve la reflexión, ahora eleva la tensión al doble, lo que hará que los diodos de sustrato conduzcan en las entradas a las puertas. Éstos sólo están diseñados para proteger las entradas de EMI, y la corriente a través de ellos podría perturbar el funcionamiento normal, posiblemente incluso el latchup.

Peor aún, cuando se produce la siguiente reflexión, la tensión cae por debajo de 2,5 V, lo que significa que una entrada de reloj verá un segundo flanco. A medida que pasa el tiempo, las reflexiones disminuyen y la energía se absorbe gradualmente en la resistencia de salida del excitador. En algún momento, las reflexiones dejarán de conmutar cualquier entrada de reloj en la línea.

Por último, veamos una línea corta, a continuación. Sigue sin terminar, sin resistencia shunt y con una resistencia serie de 10. El tiempo de subida del paso de entrada sigue siendo de 10 ns, pero la línea se ha acortado a 2 ns, aproximadamente 16" o 400 mm de pista en una placa.

Cuando la reflexión vuelve al extremo de la fuente de la línea, la tensión de la fuente no ha subido mucho y la señal reflejada sigue siendo bastante pequeña. Aunque se puede ver que las reflexiones influyen en la trayectoria de la forma de onda, la señal sigue siendo "suficientemente limpia". No hay transiciones adicionales que crucen los 2,5 V. El zumbido en la parte superior de la forma de onda probablemente no encienda ningún diodo de sustrato en el receptor.

En algún momento entre 2 ns y 40 ns, la forma de onda superará algún umbral de aceptabilidad. ¿Quizás >1 V de sobreimpulso? ¿Quizás el flanco de subida de la onda de tensión se vuelva no monotónico? ¿Quizás la forma de onda caiga por debajo del umbral de conmutación? Cada situación particular puede tener su propio criterio de funcionamiento. Pero muy 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".

Answer 2

El desajuste de impedancias provoca reflexiones en la señal, de modo que por cada arista de la señal se generan aristas adicionales a medida que los ecos y ecos de ecos se superponen a ella.

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

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

Por tanto, la adaptación de impedancias es necesaria para velocidades altas o líneas de transmisión largas, y con velocidades más altas, el umbral de "largo" se reduce.

Answer 3

La línea se traza MUY ligeramente cuando la longitud de la traza de la señal se aproxima a un cuarto de longitud de onda de la señal que transporta. Sin embargo, mucho depende del apantallamiento, la impedancia característica, la forma en que se conduce, etcétera. También depende del componente de frecuencia máxima de los tiempos de subida y bajada de la señal. Así que si (digamos) tienes una señal digital de 100MHz que tiene 5ns de subida y 5ns de bajada. Si quieres que los bordes sean razonables, el tiempo de subida y bajada es de 1ns, es decir, 1GHz. En términos de longitud de onda, son unos 30 cm. Un cuarto de eso son 7cm, por lo que es casi seguro que necesite adaptación de impedancia para minimizar las reflexiones, etc.

Answer 4

Quizá se pregunte por qué no se analizan las trazas de algunas interfaces por la teoría de líneas de transmisión. A continuación se presenta un sencillo análisis del impacto de la longitud de la traza: En referencia a impedancia de entrada de la línea de transmisión sin pérdidas , $$ Z_{in}(l) = Z_0 \frac{Z_L + j Z_0 tan(2 \pi l / \lambda)} {Z_0 + j Z_L tan(2 \pi l / \lambda)}, $$ si \$l \ll \lambda\$ , $$ Z_{in}(l) \approx Z_L, $$ en cualquier punto de la traza y puede despreciarse el efecto de la línea de transmisión. No hay necesidad de preocuparse por la reflexión causada por el desajuste de impedancia porque el circuito puede tratarse como un componente fijo.

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