Ich habe ein grundlegendes Verständnis der Übertragungsleitungstheorie und wie 50-Ohm-Leiterbahnen auf einer Leiterplatte entworfen werden. Ich habe mich gefragt, was der Ursprung dieser 50-Ohm-Impedanz ist. Sind Single-Ended-Digitalsignale auf ICs gemäß dieser Spezifikation ausgelegt? Es würde nicht viel Sinn machen, 50-Ohm-Leiterbahnen auf einer Leiterplatte zu erstellen, wenn die Treiber- und Empfänger-ICs nicht mit diesen charakteristischen Impedanzen ausgelegt wären, um eine Impedanzanpassung zu erreichen. Oder ist das bei niedrigen Frequenzen kein Problem?
Als Faustregel gilt, dass die charakteristische Impedanz ernsthaft wichtig wird, wenn Ihre Leiterbahnlänge über ein Zehntel einer Wellenlänge hinausgeht. Darunter können Sie meistens davonkommen, Ihre Leiterbahn wie einen Kondensator zu behandeln.
50 Ohm Single Ended ist ein Standard, der hauptsächlich von der Radiowelt verwendet wird. Digitale Signale, die schnell genug sind, um eine Impedanzanpassung zu benötigen, verwenden normalerweise Differenzsignale.
Ich habe mich gefragt, was der Ursprung dieser 50-Ohm-Impedanz ist.
Dies ist ein historischer Zufall (wie so vieles) und stellt, wie in der Elektronik üblich, einen Kompromiss dar. Hier können Sie starten . Frühe Koaxialkabel (die starre Kupferrohre waren) verwendeten einen Bereich von Impedanzen von etwa 40 Ohm (für hohe Leistung) bis 93 Ohm. Die USA (hauptsächlich durch das Militär) einigten sich auf einen Kompromiss von 50 Ohm, und Europa entschied sich für 60, obwohl sie später ihren Standard auf 75 änderten. Trotzdem wurden flexible Koaxialkabel für eine ganze Reihe von Impedanzen innerhalb des ursprünglichen Bereichs hergestellt. Und 93 Ohm sind der Standard für Fernsehantennen in den USA geblieben.
Sind Single-Ended-Digitalsignale auf ICs gemäß dieser Spezifikation ausgelegt? Es würde nicht viel Sinn machen, 50-Ohm-Leiterbahnen auf einer Leiterplatte zu erstellen, wenn die Treiber- und Empfänger-ICs nicht mit diesen charakteristischen Impedanzen ausgelegt wären, um eine Impedanzanpassung zu erreichen.
In den 60er, 70er und 80er Jahren gab es nur wenige 50-Ohm-Logiktreiber, da etwa 3 Volt an 50 Ohm gespeist werden mussten. Dies führt zu einem Quellenstrom von 60 mA, und dies war nicht einfach zu bewerkstelligen. In der TTL-Welt waren nur wenige ICs, wie der 74128, für 50 Ohm ausgelegt. Viel häufiger war die Verwendung von Twisted Pair mit einer Nennimpedanz von 132 Ohm. Der Lastabschluss war ein 220/330-Ohm-Spannungsteiler, der zwischen 5 Volt und Masse angeschlossen war, wobei die Signalquelle von einem offenen Kollektor an Masse getrieben wurde, was eine 3-Volt-1 und eine 0,4-Volt-0 oder so liefern würde.
Oder ist das bei niedrigen Frequenzen kein Problem?
Jawohl. Die TTL-Logik hatte Anstiegszeiten in der Größenordnung von 10 ns. Bei Entfernungen von ein oder zwei Fuß, was eine sehr große Leiterplatte ist, gibt es nur sehr wenige Probleme mit dem Klingeln. Daher war die Anpassung der Leiterbahnimpedanz für die meisten Logiksysteme einfach keine große Sache.
Die Ausnahme hiervon war die Verwendung von ECL-Systemen, wie der alte Cray-Supercomputer, der verwendet wurde. Dies hatte schnellere Kanten, daher waren Leiterbahnlängen ein Problem. Glücklicherweise verwendete ECL höhere Ströme, um seine Geschwindigkeit zu erreichen, UND es war gut für differenzielle Signalisierung geeignet.
Natürlich bestanden diese lästigen IC-Designer darauf, Chips herzustellen, die immer schneller wurden, sodass die Leiterbahnimpedanz zu einem Problem wurde. Glücklicherweise verwendete dieselbe Technologie, die höhere Geschwindigkeiten erzeugte, auch niedrigere Spannungshübe, und gleichzeitig ließ MOS Ausgangstransistoren mehr Strom liefern als die alte bipolare Technologie, sodass das Problem leichter zu handhaben war.
Wie Peter Green geantwortet hat, hat sich jedoch auch die Verwendung von Differenzsignalen für Hochgeschwindigkeitssignale weiter verbreitet, da dies eine einfachere Unterdrückung von Rauschspitzen ermöglicht, die durch alle Hochgeschwindigkeitsflanken induziert werden, die um digitale Systeme herumlaufen.
Eine andere Perspektive ist, wenn die Anstiegszeit < der Ausbreitungsverzögerung des Pfads ist, dann wird das Klingeln ohne eine angepasste Impedanz offensichtlich. Die Frequenz des Klingelns sinkt mit größeren Längen.
Sogar eine Oszilloskopsonde ist mit einer 20 cm langen induktiven Masseleitung unübertroffen, sodass bei schnellen Transienten mit Überschwingen > 20 MHz oder Impulsen mit < 50 ns Anstiegszeit falsches Erfassungsklingeln auftritt.
Der Ursprung der Wertnormen 50 Ohm und 75 Ohm und 300 Ohm und 600 Ohm hat mit den verteilten RLC- und Lückenabständen von Leitern und Isolierungen zu tun.
Ale..chenski