Jakie znaczenie ma zakończenie impedancji źródła?

Biorąc pod uwagę taki obwód:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Jakie znaczenie ma R1? Można się domyślać, że ma to na celu wyrównanie impedancji wyjściowej BUF1 z impedancją linii przesyłowej, ale dlaczego to takie ważne? Co się stanie, jeśli R1 zostanie pominięty? Jak wpływa na to drugi koniec? Może to pasujący ładunek, otwarty lub krótki. Może to linia transmisyjna z nieciągłościami.

Chodzi o to, że sygnały rozprzestrzeniają się ze skończoną prędkością, to znaczy, że pewien sygnał potrzebuje tczasu, aby przejść z jednego końca linii transmisyjnej na drugą linię. Kabel ma również pewną wewnętrzną pojemność / indukcyjność na jednostkę długości, którą można aproksymować charakterystyczną impedancją (zakładając, że nie ma strat):

Jest to impedancja początkowo odczuwana przez źródło, gdy zmienia się sygnał, przy poziomie sygnału działającym jak obwód dzielnika napięcia między R1 i Z0:

Gdy sygnał rozchodzi się na końcu kabla, zdaje sobie sprawę, że nie ma nic, do czego mogłaby zrzucić energię sygnału. Sygnał musi gdzieś iść, więc odbija się od odległego końca i wraca do źródła. Kiedy dotrze do źródła, napięcie źródła będzie dwa razy większe niż pierwotne $V_s$ , które przepłyną z powrotem przez R1 do źródła.

Jeżeli $R_1$ = $Z_0$ , $V_S = V_{in}$ a cała linia transmisyjna osiągnęła stan ustalony, ponieważ nie można już wstrzykiwać ani absorbować energii z linii. Jest to idealne, ponieważ linia osiągnęła stan ustalony w ~2t(jeden t, aby dostać się do celu, a drugi t, aby wrócić do źródła).

Jeśli $R_1$ jest zbyt duży, $V_S$ będzie nadal większy niż $V_{in}$ więc źródło będzie nadal zrzucało energię do linii przesyłowej, a napięcie linii przesyłowej będzie powoli rosło, gdy sygnał odbije się do tyłu / do przodu.

Jeśli $R_1$ jest zbyt mały, $V_S$ przereguluje się, gdy sygnał powróci. W takim przypadku opadająca fala krawędziowa rozchodzi się wzdłuż linii, ponieważ źródło próbuje pochłonąć nadmiar energii pompowanej do linii i ponownie napięcie odbije się w przód / w tył, aż do osiągnięcia stanu ustalonego.

W tych dwóch ostatnich przypadkach napięcie docelowe może wielokrotnie odbijać się powyżej / poniżej pewnego poziomu logiki cyfrowej, aby odbiornik mógł uzyskać fałszywe bity danych. Może to również być potencjalnie szkodliwe dla źródła, ponieważ odbity sygnał może wzrosnąć, powodując nadmierne obciążenie źródła.

Teraz to, co się dzieje, jeśli przywiązujemy coś po drugiej stronie, jak rezystor $R_2$ ?

Teraz cel może pochłaniać energię i tylko niewielka część oryginalnego sygnału jest odbijana. Jeżeli $R_2 = Z_0$ , ponownie zostały dopasowane impedancji i sygnał nie jest widoczne.

Jeśli $R_2$ jest zbyt małe / za duże, będziemy skończyć z podobnych sygnałów odbicia jak powyżej, z wyjątkiem sygnał jest odwrócony.

Używanie $R_1 = Z_0$ może być nadal stosowane, aby zapobiec powtarzaniu się odbić, ale napięcie sygnału w stanie ustalonym będzie wynikiem dzielnika napięcia między R1 i R2. Jeżeli $R_2 = Z_0$ , nie ma odbicie, więc wartość R1 nie ma znaczenia. Równie dobrze możemy wybrać R1 = 0, aby napięcie docelowe było takie samo jak napięcie źródłowe. Jak wskazał supercat, możesz również mieć źródło napędzające sygnał dwukrotnie większy niż oczekiwany cel i nadal używać $R_1 = R_2 = Z_0$

Napisałem internetowy symulator linii transmisyjnej do zabawy, z którym demonstruje zakończenie źródła. Uznałem, że jest to przydatne do wizualizacji tych fal propagacji sygnału wzdłuż linii transmisyjnej. Wybierz wystarczająco dużą R2, a będziesz w stanie zbliżyć się do otwartego, podobnie jak w przypadku, który masz. To tylko modele bezstratnych linii transmisyjnych, ale zwykle jest wystarczająco dokładne.

Pod względem integralności sygnału (mierzonego krokową odpowiedzią po stronie odbiornika) trzy konfiguracje są identyczne (Zsource - Zload):

1) 50 omów - nieskończoność (zakończenie źródła)
2) 0 omów - 50 omów (zakończenie obciążenia)
3) 50 omów - 50 omów (zakończenie na obu końcach)

Jednak w trzecim wariancie amplituda spada o 50%. Z praktycznego punktu widzenia należy zatem unikać trzeciej opcji, chyba że istnieje ku temu ważny powód.

Zastrzeżenie: dotyczy to idealnego kabla jednoprzewodowego typu punkt-punkt w jednym kierunku komunikacji między źródłem odbiornika. Jeśli po drodze jest skrzyżowanie, warto zastosować podwójne zakończenie - nie pomyślałem o tym.

Ok, oto długi, ale zbyt ogólny opis tego, co się dzieje ...

Impedancja linii transmisyjnej (aka trace) wynosi 50 omów, co oznacza, że ​​gdy sygnał przemieszcza się w dół kabla, wygląda jak obciążenie 50 omów dla kierowcy. Kiedy uderza w koniec śladu, odbija się wstecz i powoduje, że części śladu chwilowo osiągają znacznie wyższe / niższe napięcie niż powinno. Nazywamy to przeregulowaniem i niedopracowaniem.

W przypadku rezystora źródłowego 50 omów rezystor plus ślad 50 omów tworzy dzielnik napięcia (div przez 2). Tuż przed końcem sygnału sygnał w tej lokalizacji wynosi 50% wymaganej amplitudy. Zaraz po tym, jak sygnał dobiegnie końca, odbicie łączy się z 50% oryginalnym sygnałem i daje doskonały 100% sygnał amplitudowy. Odbicie wraca do rezystora źródłowego, gdzie jest absorbowane.

Odbiornik umieszczony na samym końcu śladu zobaczy w większości idealną krawędź sygnału. Ale odbiornik na środku lub w pobliżu rezystora najpierw zobaczy sygnał 50%, a następnie sygnał 100%. Z tego powodu zakończenie źródła jest używane tylko wtedy, gdy istnieje tylko jeden odbiornik i odbiornik ten musi znajdować się na końcu śledzenia.

Jeśli rezystor nie pasuje do impedancji przewodu / ścieżki / kabla, dzielnik napięcia nie wynosi 50% - co powoduje niedokładne dopasowanie, a odbicie może powodować problemy.

R1 nie jest ważne, pod warunkiem że linia transmisyjna jest prawidłowo zakończona. Często jeżdżę takimi liniami i dostaję przyzwoity odbiór na drugim końcu linii transmisyjnej, ale musi być poprawnie zakończony.