Warum spielen charakteristische Impedanzen nur eine Rolle, wenn Leiterbahnen länger als eine halbe Wellenlänge sind?

Einige skrupellose Eigenwerbung: Online Transmission Line Simulation

Das Anpassen der Übertragungsleitungslänge gegenüber der Signalfrequenz entspricht dem Anpassen der Zeitverzögerung ( tDelay) gegenüber der Anstiegszeit ( tRise).

Einige interessante Parameter: set tDelay=tRise/10. Dies ist der Fall, wenn die Wellenlänge viel länger als die Übertragungsleitung ist. Beachten Sie, dass die rote Kurve vom fernen Ende mehrere Male reflektiert wird, bevor sie den Spitzenwert „Ein“ von 1 V erreicht. Jede Reflexion ist jedoch relativ klein, da sich die Spannung links von der roten Kurve nicht wesentlich vom Treiberpegel (blaue Kurve) unterscheidet. Das Signal konnte sich so schnell zum Ziel ausbreiten, dass der Abstand nie zu groß wurde.

Wiederholen Sie dies nun mit einem Fall von sagen tDelay=tRise/2. Beachten Sie, dass die Trennung der Treiberquellenspannung von der roten, nicht übereinstimmenden Abschlussspannung erheblich größer ist. Wenn das Signal schließlich das Ende der Übertragungsleitung erreicht, ist die Reflexion ziemlich stark. Diese Diskrepanz zwischen dem, was der Empfänger für die Ansteuerspannung hält, und der wahren Ansteuerspannung bestimmt die Größe jeglicher Reflexionen. Wiederholte Reflexionen entstehen, weil die Reflexion bewirkt, dass der Leitungspegel den Quellenpegel überschreitet, aber kleiner als die erste Reflexion ist. Das Signal wird wiederholt reflektiert, bis sich der Pegel nahe der Quellenspannung einpendelt.

Eine Spur von 1/4 Wellenlänge oder kürzer kann ebenfalls einen erheblichen Effekt haben. Die übliche Faustregel, die ich gehört und verwendet habe, lautet, dass Sie Übertragungsleitungseffekte wahrscheinlich vernachlässigen können, wenn die Länge weniger als 1/10 oder 1/20 Wellenlänge beträgt.

Nehmen wir als einfaches Beispiel an, Sie terminieren eine 1/4-Wellenlängenleitung mit einem offenen Stromkreis und treiben sie mit einer Einfrequenzquelle an. Nachdem das Signal zur Quelle (1/4 Wellenlänge entfernt) zurückreflektiert wurde, sieht es für die Quelle so aus, als würde es einen Kurzschluss anstelle einer Unterbrechung erzeugen. Das ist ein ziemlich erheblicher Effekt.

Für üblichere Situationen im Digitaldesign entwerfen Sie die Leitung mit 50 Ohm und schließen die Leitung mit 50 Ohm ab, aber die tatsächliche charakteristische Impedanz der Leitung kann in der Produktion zwischen 45 und 55 Ohm variieren. Sie möchten wissen, wie groß die Auswirkungen auf die Signalintegrität sind.

Wenn die Leitung lang ist, breitet sich das Signal bis zum Ende aus und wird zurückreflektiert. Dann breitet es sich zurück zur Quelle aus (die möglicherweise überhaupt nicht gut angepasst ist) und reflektiert erneut. Usw. Dies erzeugt an der Last eine Spannung mit einem deutlichen Nachschwingen bei jeder ansteigenden und abfallenden Flanke. Die Zeit, die es braucht, bis dieser Ring abklingt, ist länger, wenn die Spur länger ist, weil es Zeit braucht, bis sich diese Reflexionen hin und her ausbreiten.

Wenn die Leitung andererseits sehr kurz ist (weniger als 1/10 Wellenlänge bei der "kritischen Frequenz" bezogen auf die Anstiegs- und Abfallzeit der digitalen Signale), werden diese Reflexionen alle innerhalb der Zeit des Anstiegs oder auftreten Die abfallende Flanke ist noch im Gange und erzeugt nicht viel Ring (Überschwingen oder Unterschwingen) an der Last.

Aus diesem Grund hört man oft die Faustregel, dass eine Impedanzkontrolle nicht erforderlich ist, wenn die Leiterbahnlänge einen kleinen Bruchteil der Wellenlänge ausmacht.

Eine lange Wellenlänge im Vergleich zu den Spuren bedeutet tatsächlich, dass entlang der Spuren wenig Spannung anliegt – ein Ende hat immer fast die gleiche Spannung wie das andere Ende (im Vergleich zur Größe des Signals), sodass der Effekt von Reflexionen minimal ist.

Wie @ThePhoton sagt, sollten Sie an 1/10 oder 1/20 Wellenlänge denken, nicht an 1/4.

Wenn Sie an Wasserwellen in einem engen, tiefen Tank denken und eine Seite nicht viel höher sein kann als die andere (sagen wir 10 mal die Wellenlänge), wird es eher wie das Anheben und Absenken des Wassers im Tank.

Ein nicht abgeschlossenes Viertelwellenkabel sieht aus wie ein Kurzschluss und dies ist aus offensichtlichen Gründen zu vermeiden. Je kürzer das Kabel wird, desto besser werden die Hochfrequenzteile Ihres Signalspektrums, und im Allgemeinen werden Terminierungen um etwa ein Zehntel einer Wellenlänge vergessen.

So sieht eine Leitung mit offenem Ende aus, wenn ihre Länge auf eine Viertelwellenlänge der angelegten Spannung abgestimmt ist: -

_{(Quelle: ibiblio.org )}

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