Welche Bedeutung hat der Abschluss der Quellenimpedanz?

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Bei einer Schaltung wie dieser:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Was ist die Bedeutung von R1? Man kann vermuten, dass die Ausgangsimpedanz von BUF1 gleich der Impedanz der Übertragungsleitung ist, aber warum ist das wichtig? Was passiert, wenn R1 weggelassen wird? Wie wirkt sich das aus, was am anderen Ende ist? Vielleicht ist es eine passende Ladung, offen oder kurzgeschlossen. Vielleicht ist es eine Übertragungsleitung mit Diskontinuitäten.

Phil Frost
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Sie können die Telegrapher-Effekte von R1 ignorieren, wenn prop. Die Verzögerung beträgt <5% der Anstiegszeit bei 2 cm / ns oder 0,5 ns / cm Stütze. verzögern. Der Ausgang ist dann einfach ein Spannungsteiler mit einer Last bei einer beliebigen Frequenz, es sei denn, Sie befassen sich mit einer Welligkeit oder Phasenverschiebung von <1% oder der Verzögerung des Propellers. Andernfalls gibt es einen Reflexionskoeffizienten, der die Wellenform ab dem Klingeln der Stufenwellen verzerrt.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Antworten:

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Die Idee ist, dass sich Signale mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreiten, das heißt, ein bestimmtes Signal braucht tZeit, um von einem Ende der Übertragungsleitung zur anderen zu gelangen. Das Kabel hat auch eine gewisse innere Kapazität / Induktivität pro Längeneinheit, die mit einer charakteristischen Impedanz angenähert werden kann (unter der Annahme, verlustfrei zu sein):

Z0=LC

Dies ist die Impedanz, die die Quelle anfänglich erfährt, wenn sich das Signal ändert, wobei der Signalpegel wie eine Spannungsteilerschaltung zwischen R1 und Z0 :

Vs=VinZ0R1+Z0

Wenn sich das Signal zum Ende des Kabels ausbreitet, wird es erkennen, dass es nichts gibt, in das die Signalenergie entladen werden kann. Das Signal muss irgendwohin gehen, damit es vom anderen Ende abprallt und zur Quelle zurückkehrt. Wenn es die Quelle erreicht, ist die Quellenspannung doppelt so wie die ursprüngliche , die über R1 zur Quelle zurückfließt.Vs

Wenn = , und die gesamte Übertragungsleitung einen stationären Zustand erreicht hat, kann keine Energie mehr in die Leitung oder von dieser absorbiert werden. Dies ist ideal, da die Linie im eingeschwungenen Zustand ist (1 t, um zum Ziel zu gelangen, und 1 t, um zur Quelle zurückzukehren).R1Z0VS=Vin~2t

Wenn zu groß ist, ist immer noch größer als sodass die Quelle weiterhin Energie in die Übertragungsleitung abgibt, und die Spannung der Übertragungsleitung steigt langsam an, wenn das Signal vor- und zurückprallt.R1VSVin

Wenn zu klein ist, wird überschießen, wenn das Signal zurückkommt. In diesem Fall breitet sich eine abfallende Flankenwelle entlang der Leitung aus, da die Quelle versucht, die in die Leitung gepumpte überschüssige Energie zu absorbieren, und die Spannung prallt wieder vor und zurück, bis der eingeschwungene Zustand erreicht ist.R1VS

In den letzten beiden Fällen könnte die Zielspannung mehrmals über / unter einen bestimmten digitalen Logikpegel springen, so dass der Empfänger als Ergebnis falsche Datenbits erhalten könnte. Dies könnte auch die Quelle möglicherweise beschädigen, da das reflektierte Signal eine übermäßige Belastung für die Quelle hervorrufen kann.

Was passiert nun, wenn wir etwas auf der anderen Seite anbringen, wie z. B. einen Widerstand ?R2

Jetzt kann das Ziel Energie absorbieren und nur ein Bruchteil des ursprünglichen Signals wird reflektiert. Wenn , haben wir wieder angepasste Impedanzen und es wird kein Signal reflektiert.R2=Z0

Wenn zu klein / zu groß ist, erhalten wir ähnliche Reflexionssignale wie oben, außer dass das Signal invertiert ist.R2

Die Verwendung von kann weiterhin verwendet werden, um ein wiederholtes Prellen zu verhindern, aber die stationäre Signalspannung ist das Ergebnis des Spannungsteilers zwischen R1 und R2. Wenn , gibt es keine Reflexion, so dass der Wert von R1 keine Rolle spielt. Wir können auch R1 = 0 wählen, damit die Zielspannung mit der Quellenspannung übereinstimmt. Wie Supercat betonte, kann die Quelle auch ein Signal mit der doppelten vom Ziel erwarteten Größe und weiterhinR1=Z0R2=Z0R1=R2=Z0

Ich habe einen Online-Übertragungsleitungssimulator zum Herumspielen geschrieben , der die Terminierung der Quelle demonstriert. Ich fand es nützlich, diese Signalausbreitungswellen entlang der Übertragungsleitung zu visualisieren. Wählen Sie ein R2, das groß genug ist, und Sie können ein offenes annähern, wie es der Fall ist, den Sie haben. Dies modelliert nur verlustfreie Übertragungsleitungen, ist jedoch normalerweise genau genug.

helloworld922
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schöne simulation. +1
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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In Bezug auf die Signalintegrität (gemessen durch die Sprungantwort auf der Empfängerseite) sind die drei Konfigurationen identisch (Zsource - Zload):

1) 50 Ohm - unendlich (Quellenabschluss)
2) 0 Ohm - 50 Ohm (Lastabschluss)
3) 50 Ohm - 50 Ohm (Abschluss an beiden Enden)

Bei der dritten Variante nimmt die Amplitude jedoch um 50% ab. Aus praktischer Sicht sollte daher die dritte Option vermieden werden, es sei denn, es gibt einen zwingenden Grund, dies zu tun.

Haftungsausschluss: Dies gilt für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen der Quelle und dem Empfänger. Wenn sich auf dem Weg eine Kreuzung befindet, kann es sinnvoll sein, eine doppelte Terminierung zu verwenden - ich habe nicht darüber nachgedacht.

Sergei Gorbikov
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Ok, hier ist die lange, aber allzu verallgemeinerte Beschreibung dessen, was los ist ...

Die Impedanz der Übertragungsleitung (auch als Spur bezeichnet) beträgt 50 Ohm, was bedeutet, dass das Signal für den Fahrer wie eine Last von 50 Ohm aussieht, wenn es das Kabel hinunterläuft. Wenn es das Ende der Spur erreicht, wird es reflektiert und bewirkt, dass Teile der Spur vorübergehend eine viel höhere / niedrigere Spannung erreichen, als sie sollte. Wir nennen das Überschwingen und Unterschwingen.

Beim 50-Ohm-Source-Widerstand bildet der Widerstand plus 50-Ohm-Leiterbahn einen Spannungsteiler (dividiert durch 2). Kurz bevor das Signal das Ende erreicht, beträgt das Signal an dieser Stelle 50% der benötigten Amplitude. Kurz nachdem das Signal das Ende erreicht hat, kombiniert sich die Reflexion mit dem 50% -igen Originalsignal und ergibt ein perfektes Signal mit 100% Amplitude. Die Reflexion wandert zurück zum Quellwiderstand, wo sie absorbiert wird.

Ein Empfänger, der sich ganz am Ende der Kurve befindet, sieht eine größtenteils perfekte Signalflanke. Bei einem Empfänger in der Mitte oder in der Nähe des Widerstands wird zuerst ein Signal von 50% und dann ein Signal von 100% angezeigt. Aus diesem Grund wird die Quellterminierung nur verwendet, wenn nur ein Empfänger vorhanden ist und sich dieser Empfänger am Ende des Trace befinden muss.

Wenn der Widerstand nicht mit der Impedanz der Leitung / Leiterbahn / des Kabels übereinstimmt, beträgt der Spannungsteiler nicht 50%. Dies führt zu einer fehlerhaften Übereinstimmung und die Reflexion kann zu Problemen führen.


quelle
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Die Verwendung der Quellterminierung allein ist nicht besonders gut, aber es ist durchaus üblich, sowohl die Quellterminierung als auch die Lastterminierung zu verwenden und einfach mit einem Signal zu beginnen, das doppelt so stark ist wie das, was am anderen Ende empfangen werden soll. Durch die Verwendung von Source- und Load-Terminierung kann sich ein Signal auch dann sauber ausbreiten, wenn auf einem Abschnitt der Übertragungsleitung die Impedanz nicht stimmt (z. B. an einer Kreuzung von zwei Kabeln). Wenn nur ein Lastabschluss verwendet würde, würde das Signal, das diese Unvollkommenheit reflektiert, an der Quelle erneut reflektiert und einige Zeit später an der Last erscheinen.
Supercat
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R1=0Ω
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Ich vermute, die Annahme hier ist, dass die Lastimpedanz am anderen Ende der Leitung sehr groß ist, oder? In den Situationen, an die ich dachte, stimmte das nicht wirklich (wahrscheinlich stellte ich mir eine Antenne als Last vor), aber ich denke, es ist die Norm in digitalen Schaltkreisen. Habe ich recht?
Phil Frost
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@DavidKessner: Wenn es eine Last gibt und wenn man vernünftigerweise erwarten kann, dass es keine Impedanzfehlanpassungen auf der Leitung zwischen der Quelle und der Last gibt, ist die Nur-Quelle-Terminierung gut. Video verwendet normalerweise eine Quelle mit 75 Ohm und eine Lastimpedanz, obwohl ich gesehen habe, dass Geräte alle möglichen seltsamen Dinge auf eine solche Weise tun, dass einige Kombinationen zusammenarbeiten und andere nicht.
Supercat
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@supercat Ja, analoges Video über Koaxialkabel wird am häufigsten mit Doppelterminierung verwendet. Gigabit-Ethernet verwendet ebenfalls eine doppelte Terminierung, jedoch mehr, da jedes Adernpaar bidirektional ist. Moderne Schnittstellen, die differenzielle Signale (HDMI, PCIe, SATA) verwenden, verwenden einen Endabschluss, meistens jedoch, weil sie die Signalisierung im aktuellen Modus verwenden. Ich habe ehrlich gesagt nicht die Simulationen von Doppelterminierungsfehlanpassungen durchgeführt, da ich es anders als bei analogen Videos einfach nicht brauchte. Ich werde damit herumspielen und sehen, was passiert.
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R1 ist nicht wichtig, vorausgesetzt, die Übertragungsleitung ist korrekt terminiert. Ich fahre solche Leitungen sehr oft und erhalte einen anständigen Empfang am anderen Ende der Übertragungsleitung, aber der muss korrekt terminiert sein.

Andy aka
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R1 ist die Terminierung, es heißt Quellterminierung. Wenn Sie jedoch eine ordnungsgemäße Beendigung haben, wird R1 die Situation verschlimmern. Wenn R1 = 50 ist und Sie einen Abschlusswiderstand (50 Ohm) haben, wird Ihr gesamtes Signal um 50% gedämpft, was nicht gut ist. R1 ist also offensichtlich wichtig.