Qual è l'importanza della terminazione dell'impedenza della sorgente?

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Dato un circuito come questo:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Qual è l'importanza di R1? Si può immaginare che sia per rendere l'impedenza di uscita di BUF1 uguale all'impedenza della linea di trasmissione, ma perché è importante? Cosa succede se R1 viene omesso? In che modo ciò che sta dall'altra parte influenza questo? Forse è un carico abbinato, aperto o corto. Forse è una linea di trasmissione con discontinuità.

transmission-line impedance-matching

— Phil Frost
fonte

Puoi ignorare gli effetti Telegrapher di R1 se prop. il ritardo è <5% del tempo di salita a 2 cm / ns o 0,5 ns / cm prop. ritardo. Quindi l'uscita è semplicemente un divisore di tensione con carico a qualsiasi frequenza, a meno che non si sia preoccupati di un'increspatura o di uno sfasamento <1% o del ritardo dell'elica stesso. Altrimenti esiste un coefficiente di riflessione che distorce la forma d'onda a partire dal suono delle onde a gradino.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

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L'idea è che i segnali si propagano a una velocità finita, vale a dire che un determinato segnale richiede ttempo per passare da un'estremità della linea di trasmissione all'altra linea. Il cavo ha anche una capacità / induttanza intrinseca per unità di lunghezza, che può essere approssimata con un'impedenza caratteristica (presupponendo una perdita):

Z_{0} = \sqrt{\frac{L}{C}}

$\begin{equation} Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}} \end{equation}$

Questa è l'impedenza inizialmente sperimentata dalla sorgente quando il segnale cambia, con il livello del segnale che agisce come un circuito divisore di tensione tra R1 e Z0:

V_{s} = V_{i n} \frac{Z_{0}}{R_{1} + Z_{0}}

$\begin{equation} V_s = V_{in} \frac{Z_0}{R_1 + Z_0} \end{equation}$

Quando il segnale si propaga all'estremità del cavo, si renderà conto che non c'è nulla in cui scaricare l'energia del segnale. Il segnale deve andare da qualche parte, quindi rimbalza dall'altra parte e ritorna alla sorgente. Quando raggiunge la sorgente, la tensione della sorgente sarà due volte le originali $V_s$ , che rifluire attraverso R1 alla sorgente.

Se $R_1$ = $Z_0$ , $V_S = V_{in}$ e l'intera linea di trasmissione ha raggiunto uno stato stabile perché non è più possibile iniettare o assorbire più energia dalla linea. Questo è ideale perché la linea ha raggiunto lo stato stabile in ~2t(una t per raggiungere l'obiettivo e una t per tornare alla sorgente).

$R_1$ $V_S$ $V_{in}$

$R_1$ $V_S$

In questi ultimi 2 casi la tensione target potrebbe rimbalzare sopra / sotto un determinato livello di logica digitale più volte in modo che il ricevitore possa ottenere bit di dati falsi di conseguenza. Questo potrebbe anche essere potenzialmente dannoso per la sorgente perché il segnale riflesso potrebbe aumentare indurre uno stress eccessivo sulla sorgente.

$R_2$

$R_2 = Z_0$

$R_2$

$R_1 = Z_0$ $R_2 = Z_0$ $R_1 = R_2 = Z_0$

Ho scritto un simulatore di linea di trasmissione online per giocare con il quale dimostra la terminazione della fonte. L'ho trovato utile per visualizzare queste onde di propagazione del segnale lungo la linea di trasmissione. Scegli un R2 abbastanza grande e puoi approssimare un open, come nel caso che hai. Questo modella solo linee di trasmissione senza perdite, ma di solito è abbastanza preciso.

— helloworld922
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bella simulazione. +1

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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In termini di integrità del segnale (misurata dalla risposta del gradino sul lato ricevitore) le tre configurazioni sono identiche (Zsource - Zload):

1) 50 Ohm - infinito (terminazione della sorgente)
2) 0 Ohm - 50 Ohm (terminazione del carico)
3) 50 Ohm - 50 Ohm (terminazione ad entrambe le estremità)

Tuttavia, nella terza variante vi è una riduzione dell'ampiezza del 50%. Quindi, dal punto di vista pratico, la terza opzione dovrebbe essere evitata a meno che non ci sia una ragione convincente per farlo.

Dichiarazione di non responsabilità: riguarda la comunicazione unidirezionale del cavo ideale punto-punto a filo singolo tra la sorgente del ricevitore. Se c'è un incrocio sulla strada, allora potrebbe avere senso usare la doppia terminazione - non ci ho pensato.

— Sergei Gorbikov
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Ok, ecco la descrizione lunga ma eccessivamente generalizzata di quello che sta succedendo ...

L'impedenza della linea di trasmissione (alias trace) è di 50 ohm, il che significa che quando il segnale viaggia lungo il cavo sembra un carico di 50 ohm per il driver. Quando colpisce la fine della traccia, si riflette indietro e fa sì che alcune parti della traccia raggiungano temporaneamente una tensione molto più alta / più bassa di quanto dovrebbe. Lo chiamiamo overshoot e undershoot.

Con il resistore sorgente da 50 ohm, il resistore più la traccia da 50 ohm formano un divisore di tensione (div per 2). Appena prima che il segnale raggiunga la fine, il segnale in quella posizione è il 50% dell'ampiezza necessaria. Subito dopo la fine del segnale, la riflessione si combina con il segnale originale al 50% e produce un segnale di ampiezza del 100% perfetto. Il riflesso ritorna al resistore sorgente dove viene assorbito.

Un ricevitore situato all'estremità della traccia vedrà un bordo del segnale per lo più perfetto. Ma un ricevitore nel mezzo o vicino alla resistenza vedrà prima un segnale del 50% e poi un segnale del 100%. Per questo motivo, la terminazione della sorgente viene utilizzata solo quando esiste un solo ricevitore e tale ricevitore deve trovarsi alla fine della traccia.

Se la resistenza non corrisponde all'impedenza del filo / traccia / cavo, il divisore di tensione non è del 50%, il che si traduce in una corrispondenza imperfetta e la riflessione potrebbe causare problemi.

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L'uso della sola terminazione di origine non è eccezionale, ma è piuttosto comune utilizzare sia la terminazione di origine sia la terminazione di caricamento e iniziare semplicemente con un segnale che è due volte più potente di quello che dovrebbe essere ricevuto all'estremità. L'uso della terminazione sia della sorgente che del carico consentirà a un segnale di propagarsi in modo pulito anche se esiste una sezione della linea di trasmissione in cui l'impedenza non è corretta (ad esempio in corrispondenza di una giunzione di due cavi). Se si utilizzava la sola terminazione del carico, il segnale che rifletteva quell'imperfezione sarebbe ri-riflesso alla sorgente e apparirebbe più tardi al carico.

— supercat,

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R_{1} = 0 Ω

$R_1=0\Omega$

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Suppongo che il presupposto qui sia che l'impedenza di carico all'altra estremità della linea sia molto grande, giusto? Questo non era proprio vero nelle situazioni che avevo in mente (probabilmente ho immaginato un'antenna come il carico), ma immagino sia la norma nei circuiti digitali. Ho ragione?

— Phil Frost,

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@DavidKessner: se esiste un carico e se ci si può ragionevolmente aspettare che non ci siano disadattamenti di impedenza sulla linea tra l'origine e il carico, la terminazione solo dell'origine è buona. Il video sembra comunemente usare una sorgente da 75 ohm e l'impedenza di carico, anche se ho visto un dispositivo fare ogni sorta di cose strane in modo tale che alcune combinazioni funzionano insieme e altre no.

— supercat,

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@supercat Sì, il video analogico su coassiale è il più comune che utilizza la doppia terminazione. Anche Gigabit Ethernet utilizza una doppia terminazione, ma soprattutto perché ogni coppia di fili è bidirezionale. Le moderne interfacce che utilizzano la segnalazione differenziale (HDMI, PCIe, SATA) usano la terminazione finale, ma principalmente perché usano la segnalazione della modalità corrente. Onestamente non ho fatto le simulazioni della doppia terminazione con disadattamenti perché a parte il video analogico che non avevo bisogno. Ci giocherò e vedrò cosa succede.

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R1 non è importante a condizione che la linea di trasmissione sia terminata correttamente. Guido molte linee in questo modo e ottengo una ricezione decente all'estremità della linea di trasmissione, ma deve essere terminata correttamente.

— Andy aka
fonte

R1 è la terminazione, si chiama terminazione di origine. Ma se hai una terminazione corretta, allora R1 peggiorerà le cose. Se R1 = 50 e hai una terminazione finale (50 ohm), l'intero segnale sarà attenuato del 50%, il che non è buono. Quindi ovviamente R1 è importante.