Комментарии 40
Отличная статья, обязательно продолжайте.
Спасибо за статью. Никогда не думал, что согласовывать можно на стороне передатчика, а не приёмника.
Подскажите, как понять с какой частоты(длительности импульса/размеров платы) нужно думать о дорожках на ПП как о линиях передачи?
Согласовывают с линией обычно обе стороны: и выход передатчика и вход приемника.
Это не совсем так. С линией часто согласовывают обе стороны. Но каждый раз это имеет свои, абсолютно понятные причины.
К примеру, мультиплексирование одного выхода на два входа при помощи Т-образного разветвления дорожки. Здесь причина будет в неизбежном отражении от точки разветвления.
Предположим, линия не согласована вообще и микросхема-источник посылает сигнал в микросхему-приёмник. В таком случае сигнал, дойдя до развилки, частично отразится обратно к источнику, а затем отразится от него и вновь устремится к приёмнику. Кроме того, частично пройдя развилку, сигнал разделится и дойдёт до приёмника. Отразится от него, дойдёт обратно до развилки, отразится от неё (частично) и вновь повернёт к приёмнику.
В таком случае, действительно, согласовывать нужно всё. Но в линии с одним источником и одним приёмником согласование на стороне приёмника, как видно, здорово понижает амплитуду сигнала. Ну и зачем такое согласование?
То, что нужно согласовывать обе стороны - это одно из тех суеверий. Оно, как и любое суеверие, появилось не на пустом месте, но всё же это суеверие.
Во-первых, спасибо за статью, она великолепна!
То, что нужно согласовывать обе стороны - это одно из тех суеверий. Оно, как и любое суеверие, появилось не на пустом месте, но всё же это суеверие.
Я тут немного отойду в сторону от лоигческих схем и поговорю про радиопередатчики.
Насколько я понимаю, согласование с линией только источника -- это особенность КМОП-схем. Ток там не особенно важен, а напряжение, напротив, определяюще: на заряд затвора много не нужно, а дальше уже поле (зависящее от напряжения) запирает канал. Если часть сигнала от входа и отразится, то это почти ни на что не повлияет: сторона передачи не сгорит, линия не нагреется. Может быть, в параллельных интерфейсах уменьшится SNR из-за дополнительных наводок на соседние проводники.
В радиопередатчиках же всё немного иначе. Там задача -- гонять туда-сюда как можно больше электронов в передающей антенне, чтобы они создавали побольше ЭМВ. И отражение, кроме того, что крадёт ток, который мы можем на это пустить, вдобавок греет выход передатчика и фидер. Поэтому в радиопередающих системах обычно согласовывают все три компонента -- передатчик, фидер и антенну. В случае же радиоприёмника, насколько я понимаю, согласование линии и приёмника уже не так важно по той же причине, по которой это не так уж и важно для логических схем: после линии всё равно стоит полевик, который управляется в первую очередь напряжением.
Буду рад комментариям и исправлениям -- возможно, мой взгляд в корне ошибочен.
Ситуации бывают разные, согласование на стороне приемника повышает помехоустойчивость, да ценой уменьшения амплитуды.
ТВ или радио передатчики расчитаны на подключение 50 Омной нагрузки (в подавляющем числе случаев), фидер 50 Омный и нагрузка (антенна или делитель мощности) также
Забыл на вопрос о частоте ответить. Однозначно сказать никто не возмётся. Лично я видел рекомендации считать сигнальную линию электрически короткой, если ее длина больше 1/8, 1/10 или, даже, 1/16 длины волны. Не забудьте про материал платы, эпсилон-р, оценочно: крит. длина >= с/(10*f*eps*eps).
На самом деле вас больше скорости нарастания/спада фронтов прямоугольника (tRise/tFall) интересовать должны, чем конкретная частота сигнала.Это та самая настройка GPIO Output Speed в STM32-ах.
Если же говорить о сигналах, где важно не растерять энергию по пути (принятый антенной слабый сигнал, или наоборот, мощный сигнал от радио-передатчика), то согласовывать нужно с обеих сторон.
Вероятно, это всё же зависит от того, как выполнен вход приёмника.
Пример: имеем антенну 50 Ом, приёмник 2 кОм. Вряд ли тут требуется мощность сигнала на входе приемника, скорее, амплитуда напряжения. Отраженная от приемника волна уйдет в приемную антенну и переизлучится.
В итоге уменьшение напряжения при согласовании, вероятно может получится больше, чем потери из-за рассогласования.
С одной стороны, на первых трёх осциллограммах видно, что всплески, вызванные переотражениями не пересекают линии 2,0/0,8В. Это значит, что при данном внутреннем сопротивлении источника и данном импедансе линии, ошибок при передаче данных не будет при любых частотах и длинах проводника.
С другой стороны, на осциллограмме со сдвоенным выходом видно, что с увеличением разницы импеданса источника и линии, увеличивается не только амплитуда, но и число отражений. Это означает, что разницу импедансов можно сделать такой, что отражения будут "гулять" по линии достаточно долго даже при весьма скромных её размерах.
В целом, глядя на последний рисунок в статье, я бы сказал, что если речь идёт о микроконтроллерах вроде Атмеги, габаритах не более ATX, ширине дорожки 0,15-0,2мм и толщине двухслойной платы не более 1,5мм, то отражения сходят на нет не дольше, чем за 100нс. Следовательно, на частотах до 10МГц можно ничего не согласовывать.
А рассскажите еще о формирователях, инверторах и прочих штуках из отрезков линий. Это ж почти как магия, но оно работает!
Конечно, для Arduino недоступны 5 нс даже если выкинуть Arduino IDE… но — продолжайте.
Препарирование IBIS-файлов в конце — будет?
P.S. "Длиной", "длиною". Или нет?
Не планируется ли статья о согласовании приемо-передающих трактов RF-цепей?)
Нет. СВЧ не мой профиль, хоть в нём тоже есть согласования.
Согласование СВЧ, по своему принципу, мало чем отличается от изложенного материала в статье. За малым исключением - импеданс (сопротивление) рассматривается как комплексная величина, а значит в цепях согласования могут присутствовать резисторы, конденсаторы и индуктивности, а расчет ведется для заданного диапазона рабочих частот.
Для частот выше 1ГГц, как правило используют "паразитные" свойста печатных провдников - изменяя их ширину, взаимное расположение и толщину диэлетрика (субстрата, текстолита) добиваются нужного импеданса цепи соглсования. Это называется "микрополосковое согласование". На Хабре есть статьи на эту тему, вот одна из них.
Мне представляется, что согласование на радиочастотах всё же принципиально отличается от того, что изложено в это статье. Как верно заметили выше, в описываемом тут случае важен уровень напряжения, поэтому на потери тока в дополнительных согласующих резисторах можно не обращать внимания. По большому счёту это даже не столько согласование импедансов, как способ исключить переотражения, чтобы они не искажали форму импульсов.
В усилителях, в антенно-фидерных трактах ключевой является возможность согласовать импедансы так, чтобы получить не только минимальные потери на переотражение, но и потери диссипативные. Грубо говоря, с помощью цепи согласования создают такую ситуацию, когда источнику "кажется", что он работает на нагрузку, согласованную со своим внутренним сопротивлением, а нагрузке -- что, внутреннее сопротивление генератора равно её входному сопротивлению.
Именно поэтому на радиочастотах в большинстве случаев не допускается согласовывать сопротивления диссипативными элементами, к которым относятся резисторы. Согласование осуществляется с помощью реактивных элементов, к которым относят катушки индуктивности, конденсаторы и отрезки проводящих линий. Основное отличие их от резисторов заключается в том, что они влияют не только на амплитуду, но и на фазу проходящего через них радиочастотного тока. Определённым образом комбинируя между собой эти элементы, можно добиться полного согласования на одной частоте и допустимого (в рамках требований к узлу) в полосе частот. Помогает в этом, например, так называемая диаграмма Смита. И расчёты, к сожалению, гораздо сложнее, чем в описанной в этой статье методике.
Все что Вы описываете - все верно. Тем не менее, практика показывает что, для частот < 1ГГц и коротких проводниках (длина волны в разы больше длины печатных проводников) достаточно выполнить согласование импеданса. На более высоких частотах, да приходится бороться с фазой отраженного сигнала, без симуляции и прочих RFOffice тут никак.
Извините, но мы, видимо, говорим о разных вещах. Вы утверждаете, что согласование трактов RF-цепей по своему принципу мало отличается от изложенного в этой статье, тогда как я утверждаю, что "на СВЧ" всё делается совершенно иначе. В статье автор описывает, как добился согласования выровняв сопротивления источника и фидера, но при этом ограничив ток сигнала, который в описанных приложениях не так и важен. В RF-цепях, о которых спрашивалось в первом комментарии этой ветки, такой способ не годится, так как приведёт к потере мощности, будь то хоть 10 МГц, хоть 10 ГГц, хоть линии длиной 1 , хоть 101 электрический градус -- вы всё равно получите стоячую волну при разнице сопротивлений источника и нагрузки. "На СВЧ" импедансы согласовываются почти исключительно реактивными элементами и отрезками линий передач, поскольку благодаря их свойствам возможно строить цепи согласования, в которых теоретически потери будут равны нулю.
cismoll дело говорит.
Вы немного про разные сферы говорите.
"Line Driving and System Design", National Semiconductor, Application Note 991, April 1995 с "теплыми, ламповыми" фото с экрана осцилоскопа.
КСВ - метр надо было ещё попробовать на постоянном сигнале :)
Кстати, в начале приводился пример согласования на стороне источника через дополнение сопротивления источника до нужного сопротивления канала. А как измеряется полное сопротивление источника? Я так понимаю там должно быть именно полное сопротивление, а не чисто активное?
А как измеряется полное сопротивление источника?
Если сигнал уходит в 50-омную линию и вход осциллографа включен на 50 Ом, то измеренное осциллографом напряжение - это то, которое было у импульса, когда тот бежал по кабелю.
Это напряжение образуется на стороне источника путём деления номинального напряжения (в данном случае - 3,3 вольта) на условном делителе, где нижний резистор - 50 Ом, а верхний - внутренее сопротивление источника. Исходя из этого можно вычислить внутреннее сопротивление.
Но так обычно никто не делает, потому, что в индустрии есть богатые возможности по симуляциий: MentorGraphics HyperLynx, Keysight ADS, MicroCap и т.д., в которых добавляют IBIS- модели входных/выходных буферов, написаных производителям.
Подробнее об этом в следующей статье.
RS-485 и зачем нужен терминирующий резистор на высоких скоростях:)
Хорошая статья! Часто такое бывает, что на шине вроде бы ничего и нет, а такие осциллограммы показывает, что не горюй!
спасибо большое! очень круто что с графиками и примерами!
Согласование импедансов: как сломать и как починить