Apa pentingnya penghentian impedansi sumber?

15

Diberikan sirkuit seperti ini:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Apa pentingnya R1? Orang bisa menebak bahwa itu membuat impedansi keluaran BUF1 sama dengan impedansi saluran transmisi, tetapi mengapa ini penting? Apa yang terjadi jika R1 dihilangkan? Bagaimana apa yang ada di ujung lainnya mempengaruhi ini? Mungkin itu beban yang cocok, terbuka, atau pendek. Mungkin itu saluran transmisi dengan diskontinuitas di dalamnya.

transmission-line impedance-matching

— Phil Frost
sumber

Anda dapat mengabaikan efek Telegrapher dari R1 jika mendukung. keterlambatan adalah <5% dari waktu naik pada prop 2cm / ns atau 0,5ns / cm. menunda. Maka output hanyalah pembagi tegangan dengan beban pada frekuensi apa pun kecuali Anda khawatir tentang <1% riak atau pergeseran fasa atau penundaan prop itu sendiri. Kalau tidak, ada koefisien refleksi yang mendistorsi bentuk gelombang dimulai dengan dering pada gelombang step.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

11

Idenya adalah bahwa sinyal merambat pada kecepatan yang terbatas, artinya sinyal tertentu membutuhkan twaktu untuk berpindah dari satu ujung saluran transmisi ke saluran lainnya. Kabel juga memiliki beberapa kapasitansi / induktansi intrinsik per satuan panjang, yang dapat diperkirakan dengan impedansi karakteristik (dengan asumsi loss-less):

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

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

Ini adalah impedansi yang awalnya dialami oleh sumber ketika sinyal berubah, dengan level sinyal bertindak seperti rangkaian pembagi tegangan antara R1 dan Z0:

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

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

Ketika sinyal menyebar ke ujung kabel, ia akan menyadari bahwa tidak ada yang membuang energi sinyal. Sinyal harus pergi ke suatu tempat, sehingga memantul dari ujung dan kembali ke sumbernya. Saat mencapai sumber, sumber tegangan akan menjadi dua kali asli $V_s$ , yang akan mengalir kembali melalui R1 ke sumber.

Jika $R_1$ = $Z_0$ , $V_S = V_{in}$ dan seluruh saluran transmisi telah mencapai kondisi mapan karena tidak ada lagi energi yang dapat disuntikkan ke atau diserap dari saluran. Ini ideal karena garis telah mencapai kondisi mantap ~2t(satu t untuk mencapai target, dan satu t untuk kembali ke sumber).

Jika $R_1$ terlalu besar, $V_S$ akan tetap lebih besar dari $V_{in}$ sehingga sumber akan terus membuang energi ke saluran transmisi, dan tegangan saluran transmisi perlahan-lahan akan naik ketika sinyal memantul maju / mundur.

Jika $R_1$ terlalu kecil, $V_S$ akan melampaui saat sinyal kembali. Dalam hal ini, gelombang tepi jatuh akan merambat ke bawah garis karena sumber mencoba menyerap energi berlebih yang dipompa ke dalam garis, dan sekali lagi tegangan akan memantul ke belakang / ke depan sampai kondisi mantap tercapai.

Dalam 2 kasus terakhir, tegangan target dapat melambung di atas / di bawah tingkat logika digital tertentu beberapa kali sehingga penerima bisa mendapatkan bit data yang salah sebagai hasilnya. Ini juga dapat berpotensi merusak sumber karena sinyal yang dipantulkan dapat naik menyebabkan tekanan berlebih pada sumber.

Sekarang apa yang terjadi jika kita memasang sesuatu ke sisi lain, seperti resistor $R_2$ ?

Sekarang target dapat menyerap energi, dan hanya sebagian kecil dari sinyal asli yang dipantulkan. Jika $R_2 = Z_0$ , sekali lagi kami memiliki impedansi yang cocok dan tidak ada sinyal yang dipantulkan.

Jika $R_2$ terlalu kecil / terlalu besar, kita akan berakhir dengan sinyal pantulan yang sama seperti di atas, kecuali sinyalnya terbalik.

Menggunakan $R_1 = Z_0$ masih dapat digunakan untuk mencegah bouncing berulang, tetapi tegangan sinyal kondisi tunak akan menjadi hasil dari pembagi tegangan antara R1 dan R2. Jika $R_2 = Z_0$ , tidak ada refleksi sehingga nilai R1 tidak masalah. Kita mungkin juga memilih R1 = 0 sehingga tegangan target sama dengan tegangan sumber. Seperti yang ditunjukkan oleh supercat, Anda juga dapat meminta sumber menggerakkan sinyal dua kali lipat dari yang diharapkan target dan masih menggunakan $R_1 = R_2 = Z_0$

Saya menulis simulator saluran transmisi online untuk bermain-main dengan yang menunjukkan penghentian sumber. Saya merasa berguna untuk memvisualisasikan gelombang rambat sinyal ini di sepanjang saluran transmisi. Pilih R2 yang cukup besar dan Anda dapat memperkirakan terbuka, seperti kasing yang Anda miliki. Ini hanya memodelkan jalur transmisi loss-less, tetapi biasanya cukup akurat.

— helloworld922
sumber

simulasi yang bagus. +1

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

4

Dalam hal integritas sinyal (diukur dengan respons langkah di sisi penerima) ketiga konfigurasi tersebut identik (Zsource - Zload):

1) 50 Ohm - infinity (penghentian sumber)
2) 0 Ohm - 50 Ohm (penghentian beban)
3) 50 Ohm - 50 Ohm (penghentian di kedua ujungnya)

Namun, pada varian ke-3 ada penurunan 50% dalam amplitudo. Jadi, dari sudut pandang praktis, opsi ke-3 harus dihindari kecuali ada alasan kuat untuk melakukannya.

Penafian: ini mencakup kabel satu arah point-to-point ideal komunikasi satu arah antara sumber penerima. Jika ada persimpangan di jalan, maka mungkin masuk akal untuk menggunakan penghentian ganda - saya tidak memikirkannya.

— Sergei Gorbikov
sumber

2

Oke, ini deskripsi panjang tapi terlalu umum tentang apa yang terjadi ...

Impedansi saluran transmisi (alias jejak) adalah 50 ohm, yang berarti bahwa ketika sinyal bergerak turun kabel, sepertinya beban 50 ohm untuk pengemudi. Ketika menyentuh ujung jejak, itu mencerminkan kembali dan menyebabkan bagian jejak untuk sementara mencapai tegangan yang jauh lebih tinggi / lebih rendah dari yang seharusnya. Kami menyebutnya overshoot dan undershoot.

Dengan sumber resistor 50 ohm, resistor ditambah jejak 50 ohm membentuk pembagi tegangan (div 2). Tepat sebelum sinyal mencapai akhir, sinyal di lokasi itu adalah 50% dari amplitudo yang dibutuhkan. Tepat setelah sinyal mencapai akhir, pantulan bergabung dengan sinyal asli 50% dan menghasilkan sinyal amplitudo 100% sempurna. Refleksi bergerak kembali ke resistor sumber di mana ia diserap.

Penerima yang terletak di ujung jejak akan melihat tepi sinyal yang sebagian besar sempurna. Tetapi penerima di tengah atau dekat resistor pertama-tama akan melihat sinyal 50% dan kemudian sinyal 100%. Karena itu, penghentian sumber hanya digunakan ketika hanya ada satu penerima dan penerima itu harus ditempatkan di akhir jejak.

Jika resistor tidak cocok dengan impedansi kawat / jejak / kabel maka pembagi tegangan tidak 50% - yang menghasilkan kecocokan yang tidak sempurna dan refleksi dapat menyebabkan masalah.

2

Menggunakan pemutusan sumber saja tidak bagus, tetapi cukup umum untuk menggunakan pemutusan sumber dan pemutusan beban, dan cukup mulai dengan sinyal yang dua kali lebih kuat dari apa yang seharusnya diterima di ujung. Menggunakan kedua sumber dan pemutusan beban akan memungkinkan sinyal untuk merambat dengan bersih bahkan jika ada bagian dari saluran transmisi di mana impedansinya tidak benar (misalnya di persimpangan dua kabel). Jika seseorang menggunakan terminasi beban saja, sinyal yang memantulkan ketidaksempurnaan tersebut akan direfleksikan pada sumbernya dan muncul beberapa saat kemudian pada saat beban.

— supercat

2

@supercat demikian, apakah saya benar dalam berpikir bahwa pemutusan sumber dan beban sangat bagus untuk sinyal berdaya rendah, karena lebih kuat terhadap non-ideal saluran transmisi, tetapi jika Anda ingin mentransfer banyak daya (pemancar RF ke antena yang seharusnya dicocokkan, misalnya) maka Anda ingin

R_{1} = 0 Ω

$R_1=0\Omega$ untuk menjaga kerugian seminimal mungkin?

— Phil Frost

1

Saya kira asumsi di sini adalah bahwa impedansi beban di ujung saluran sangat besar, kan? Itu tidak benar dalam situasi yang ada dalam pikiran saya (mungkin saya membayangkan antena sebagai beban), tapi saya kira itu adalah norma dalam sirkuit digital. Apakah saya benar?

— Phil Frost

1

@ Davidvidess: Jika ada satu beban, dan jika orang bisa berharap bahwa tidak akan ada ketidaksesuaian impedansi pada garis antara sumber dan beban, penghentian hanya sumber baik. Video sepertinya menggunakan 75 ohm sumber dan memuat impedansi, meskipun saya telah melihat sebuah perangkat melakukan segala macam hal aneh sedemikian rupa sehingga beberapa kombinasi bekerja bersama dan yang lainnya tidak.

— supercat

1

@supercat Ya, video analog melalui coax adalah yang paling umum yang menggunakan penghentian ganda. Gigabit Ethernet juga menggunakan terminasi ganda, tetapi lebih karena setiap pasangan kabel adalah dua arah. Antarmuka modern yang menggunakan pensinyalan diferensial (HDMI, PCIe, SATA) menggunakan terminasi akhir, tetapi sebagian besar karena mereka menggunakan pensinyalan mode saat ini. Jujur saya belum melakukan simulasi penghentian ganda w / mismatch karena selain untuk video analog saya hanya tidak perlu. Saya akan bermain-main dengannya dan melihat apa yang terjadi.

1

R1 tidak penting asalkan saluran transmisi diputus dengan benar. Saya sering menggunakan jalur seperti ini dan mendapatkan penerimaan yang layak di ujung saluran transmisi tetapi harus diakhiri dengan benar.

— Andy alias
sumber

R1 adalah terminasi, itu disebut terminasi sumber. Tetapi jika Anda memiliki terminasi akhir yang tepat maka R1 akan memperburuk keadaan. Jika R1 = 50 dan Anda memiliki terminasi akhir (50 ohm) seluruh sinyal Anda akan dilemahkan oleh 50%, yang tidak baik. Jadi jelas R1 itu penting.