Согласование линий передачи данных на печатной плате.

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии

а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю:

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (2.1), (2.2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Цели согласования

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

увеличение электрической прочности линии;

увеличение КПД линии;

устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.

Влияние согласования на КПД линии рассмотрено выше (см. с. 30) и проиллюстрировано на рис. 1.21. Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения |Г|.

Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к Kсв на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.

Линия питания, показанная на рис. 2.31, соединяющая генератор с нагрузкой, служит для передачи возможно большей части мощности генератора Р г к приемнику, т. е. к нагрузке этой линии. Мощность, принятую нагрузкой, обозначим через Р 2 .

Значение мощности Р 2 зависит от ряда факторов, к рассмотрению которых мы и переходим.

1. В случае, когда Z 1 = Z 0 = Z 2 и в линии отсутствуют потери, мощность, выделяемая в нагрузке, P 2 = P 1 = P 0 .

2. В линии с потерями мощность Р 2 , выделяемая в нагрузке меньше мощности P 1 , поступающей на вход линии, на величину мощности потерь Р п в этой линии, т. е Р 2 =Р 1 - Р п .

3. В случае, когда выходное сопротивление генератора Z г не согласовано с входным сопротивлением линии Z 1 =U 1 /I 1 генератор отдает в линию только часть своей мощности Р г . Рассогласование сопротивлений может быть обусловлено неравенством активных сопротивлений R г не равно R 1 либо реактивных Х г ≠ - X 1 , а также обеими этими причинами, т. е. R г + iX г ≠ R 1 - iX 1 . Следствием этих причин является выделение мощности генератора на выходных элементах его схемы, т. е. на аноде выходной лампы и т. п. Как правило, равенство R г = R 1 выполняется путем трансформации выходного сопротивления генератора, осуществляемой в его выходном контуре. Для того чтобы выполнить условие Х г = -X 1 достаточно произвести расстройку выходного контура генератора относительно резонансной частоты, что, правда, несколько изменяет значение выходного сопротивления R г . Обычно передатчик имеет ограниченный диапазон изменения Z г . Для обычных схем передатчиков можно указать следующие пределы изменения его выходного сопротивления: $30\leqslant{R_г}\leqslant{100}\;Ом$, $-300\leqslant{X_г}\leqslant{300}\;Ом. Если входное сопротивление генератора Z г значительно отличается от входного сопротивления линии, то дополнительно применяют специальные устройства согласования. Эти устройства будут подробно рассмотрены позднее (см. § 3.4 ). Здесь отметим, что такие устройства обеспечивают широкополосное согласование, однако при этом вносят дополнительные потери примерно 0,5 ... 2 дБ. Поэтому, если мы хотим избежать дополнительных потерь, следует выбирать входное сопротивление линии Z 1 так, чтобы его значение лежало в пределах изменения выходного сопротивления генератора.

4. При рассогласовании входного сопротивления нагрузки Z 2 с волновым сопротивлением линии Z 0 в последней возникает помимо падающей волны U пад и отраженная волна U отр . Обе эти волны образуют в линии питания стоячую волну (см. рис. 2.41 ). В этой ситуации мощность Р 2 , передаваемая в нагрузку, будет определяться равенством Р 2 = Р пад - Р отр , где Р пад и Р отр - мощности падающей и отраженной волны соответственно.

Отраженная волна, возвращаясь к передатчику, уменьшает уровень мощности P г до величины Р 1 = Р г - Р отр . Отметим, что в линии без потерь Р 2 = Р 1 . Это равенство не зависит от степени согласования (или рассогласования) линии питания. Тогда если Z г ≠ Z 1 , то вновь возникает отражение. Если же Z г = Z 1 , то вся мощность генератора P г попадает в нагрузку, независимо от значения коэффициента стоячей волны. Вспомним, что входное сопротивление линии зависит от длины линии l , ее волнового сопротивления Z 0 и сопротивления нагрузки Z 2 . Его значение определяется по формуле (2.84 ). И, наконец, еще раз подчеркнем, что мощность отраженной волны Р о тр не является мощностью потерь как иногда об этом пишут в книгах для радиолюбителей.

5. В линиях с потерями как падающая волна мощности Р г , так и отраженная волна мощности Р отр при распространении вдоль линии претерпевают затухание (см. рис. 2.41б ). Если хотят при использовании такой линии, имеющей кроме того рассогласование, т. е. Z 2 ≠ Z 0 , получить в нагрузке (например, в антенне) прежний уровень мощности, то необходимо увеличить уровень P г на величину ΔР г =Р зат +Р рас , где Р зат - потери мощности на затухание, Р рас - потери мощности из-за рассогласования.

Дополнительные потери в линии зависят как от потерь линии на затухание, так и от значения коэффициента стоячей волны K стU в линии. При малых значениях $K_{стU}\leqslant{2}$ дополнительные потери весьма малы и лишь только при $K_{стU}\geqslant{4}$ они могут достичь уровня собственных потерь линии на затухание. Отсюда следует, что на практике в диапазоне КВ, где собственные потери линии незначительны (A < 1 дБ ), можно допустить большой уровень рассогласования выходного сопротивления передатчика с входным сопротивлением линии питания. Если рассогласование выхода передатчика с линией очень велико, то одной из возможных мер улучшения согласования является изменение длины линии питания. Позднее (см. § 3.1 ) более подробно рассмотрим линии питания с большим значением K стU , которые получили название резонансных.

6. Дополнительные потери в линию питания вносят отдельные элементы, служащие для улучшения согласования. Целесообразность их применения решают исходя из сравнения вносимых ими потерь на затухание и дополнительных потерь из-за рассогласования (при отсутствии элементов настройки линии).

Cтраница 1

Согласование линии по входу (RH p) обеспечивает отсутствие отражения обратной волны от начала линии и тем самым формирование однократного импульса.  

Согласования линии не требуется, если ее длина меньше четверти длины волны. В этом случае емкость отклоняющих пластин входит в емкость настроенного контура. Катушки связи и контуров должны быть рассчитаны в соответствии с теорией трансформаторной связи.  

Согласование линии как на выходе, так и на входе улучшает стабильность работы катодного повторителя. При нарушении по какой-либо причине согласования на конце линии в ней возникает отраженная от нагрузки волна. Этот эффект дополняется появлением вторичных отражений, если линия не согласована с источником сигнала. Поэтому, если можно ожидать (в процессе эксплуатации усилителя) нарушений согласования на выходе линии, то в этом случае желательно согласовать линию также на ее входе.  

Согласование линии на фиксированной частоте решается довольно просто. Для согласования нагрузки с линией применяют устройства, трансформирующие сопротивление нагрузки в активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. В качестве таких устройств используют реактивные элементы, не вызывающие дополнительных потерь.  

Если согласование линии нарушено, то в средней части изображения импульса виден выброс (рис. 3 - 13i), появившийся в результате отражения. Непосредственно измеренная величина импульса не должна превышать 1 5 мм. Не должно быть также понижения или повышения плоской вершины импульса за средним выбросом.  

Физически согласование линии означает, что такая линия рассеивает всю падающую СВЧ-мощность, не создавая отраженных волн. Другими словами, в согласованной передающей линии КСВ равен единице. В спектрометре ЭПР согласованная нагрузка включается в одно из плеч двойного Г - моСта (фиг. Это облегчает согласование всего волноводного тракта.  

При согласовании линии передачи учитывается так называемое волновое сопротивление коаксиального кабеля. В основном применяют 75 - и 50-омные кабели. Это означает, что на концах таких кабелей должны быть подключены согласующие резисторы с сопротивлением 50 или 75 Ом. Емкость такой линии не учитывается, а считается только погонная задержка распространения сигналов по кабелю.  

При проверке согласования линии задержки, состоящей из 24 секций и задерживающей сигнал примерно на 0 2 мксек, контрольный сигнал подается на вход У осциллографа. Rs - Если согласование линии нарушено, то средней части изображения импульса виден выброс (рис. 10 - 5), появившийся в результате отражения.  

Идеальным условием согласования линии задержки является равенство выходного сопротивления источника сигнала сопротивлению линии на всех частотах. Основная задача каскадов, расположенных на входе и выходе линии задержки, создать условия согласования, максимально приближающиеся к идеальным. Кроме того, иногда возникает необходимость корректировать в этих каскадах искажения, вызванные затуханием и нелинейностью фазовой характеристики линии задержки. При выборе конкретных схемных решений нужно учитывать, что наилучшим является то решение, которое при прочих равных условиях обеспечивает наибольшее значение коэффициента усиления по напряжению.  

Для чего нужно согласование линии или волновода с нагрузкой.  

Так как условие согласования линии с нагрузкой состоит в том, что последняя должна иметь чисто активный характер и быть равной волновому сопротивлению линии, то можно соединить две линии, не создавая в месте соединения отражений энергии, если их волновые сопротивления одинаковы.  

Мы рассмотрели методы узкополосного и широкополосного согласования линии с нагрузкой, сводящиеся к внесению в линию реактивных элементов, компенсирующих отражения от нагрузки. Эти методы применяются в том случае, когда нагрузка представляет собой узкополосную резонансную систему.  

СОГЛАСОВАНИЕ ЛИНИИ С НАГРУЗКОЙ

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	СОГЛАСОВАНИЕ ЛИНИИ С НАГРУЗКОЙ
Рубрика (тематическая категория)	Образование

Как было сказано ранее для передачи сигнала по линии крайне важно реализовать режим бегущих волн, чтобы , ᴛ.ᴇ. при Z H = R 0 .

На практике это не всœегда выполняется ᴛ.ᴇ. не реализуется согласование линии с нагрузкой.

В этом случае реализуют режим согласования с помощью устройств, которые называют трансформаторами сопротивлений, - согласующие устройства.

Какими параметрами должен обладать трансформатор?

1). В линии будет режим бегущей волны.

В качестве трансформатора сопротивления используют короткие отрезки линии. L < (l/4).

Режим стоячих волн используется для получения реактивного элемента. Можно показать, что отрезок короткозамкнутый будет обладать

		l/4< l < l/2

	l

Введение 3

Раздел 1. Основные понятия и определœения теории

элетрических цепей. Идеализированные элементы. Законы Ома и Кирхгофа. 5

Раздел 2. Линœейные цепи при гармоническом

воздействии. 15

Раздел 3. Частотно-избирательные цепи. 31

Раздел 4. Переходные процессы в электрических цепях

Раздел 5. Основы теории четырехполюсников 67

Раздел 6. Цепи с распределœенными параметрами

(Длинные линии). 80

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ.. 1

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. ИДЕАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ЗАКОНЫ ОМА И КИРХГОФА .. 5

Определœения электрической цепи .. 5

Цепь - ϶ᴛᴏ совокупность устройств, элементов, приборов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых бывают описаны с помощью ЭДС, тока, напряжения, магнитного и электрического полей.Электрическаяцепь должна быть представлена электрической схемой. 5

Электрическая схема - ϶ᴛᴏ условное графическое изображение электрической цепи, в котором каждый элемент представлен условным знаком. Существует несколько типов схем, отличающихся своим назначением. 5

а) Структурные (функциональные) схемы – это условное изображение цепи, в которой показаны ее важнейшие функциональные части. 5

б) Принципиальная электрическая схема – это условное изображение цепи, в котором показаны всœе элементы и способы их соединœения. В схеме указываются буквенное обозначение, порядковый номер, параметры элементов. 5

в) Схема замещения - ϶ᴛᴏ принципиальная схема электрической модели реальной цепи. К примеру, схема замещения биполярного транзистора. 6

г) Эквивалентные схемы - ϶ᴛᴏ такие схемы, которые обладают одинаковыми внешними электрическими характеристиками, хотя по внешнему виду могут отличаться. 6

д) Монтажные схемы – отражают конструкцию устройства, расположение элементов, проводников, условное обозначение элементов, контрольные точки и др.
Размещено на реф.рф
6

Идеализированный элемент – это модель физического явления. На практике идеальных элементов не существует. При определённых условиях и заданных точностях идеализированный элемент характеризует реальный элемент. Различают пассивные и активные идеализированные элементы. 6

К ним относятся сопротивления, ёмкость, индуктивность . Свойствами этих трёх элементов обладают реальные элементы: резистор, конденсатор, катушка индуктивности(в том числе трансформатор). 6

Элементы, для которых энергия в любой момент времени положительна, называютсяпассивными элементами. 8

Сопротивление моделирует потери электрической энергии (электрическая энергия преобразуется в тепловую) в любой момент времени. Реальный элемент резистор потребляет электрическую энергию. Он должна быть представлен идеальным элементом – сопротивлением. 8

Ёмкость и индуктивность являются пассивными элементами, так как. 8

W>0. В случае если мощность P ёмкости и индуктивности положительна, то в данном интервале времени емкость накапливает энергию электрического поля, а индуктивность - магнитного поля. В этом случае говорят, что элемент заряжается. В интервале времени когда P < 0 элемент разряжается, отдаёт накопленную энергию во внешнюю цепь. Ёмкость и индуктивность называются энергоёмкими элементами . 8

Резистор. В резисторе при прохождении тока через зажим возникает магнитное поле. Чтобы учесть накоплениемагнитной энергии нужно ввести индуктивность. 9

Катушка индуктивности . Провод катушки обладает омическим сопротивлением, которым на низких частотах переменного тока пренебречь нельзя. Можно учесть и процесс накопления энергии электрического поля 9

Идеализированные активные элементы .. 9

К активным элементам относятся управляемые и неуправляемые источники электрической энергии. 9

Идеальный источник ЭДС – это источник электрической энергии, напряжение на зажимах которого не зависит от величины протекающего тока. Это должна быть только в том случае, в случае если внутреннее сопротивление равно нулю 9

Идеальный источник тока – это источник электрической энергии, величина тока через который не зависит от напряжения на его зажимах. Внутреннее сопротивление источника равно бесконечности. 10

Реальные неуправляемые электрические источники .. 10

Операционным усилителœем принято называть источник напряжения, управляемый напряжением(ИНУН), у которого коэффициент преобразования K U = ∞. 12

Полюса (1) и (2) называются входными полюсами , к ним подключают источник входного сигнала - воздействие. 12

Первый полюс (1) принято называть инвертируемый , он обозначен знаком ʼʼминусʼʼ (-). Сигнал, проходя по этому входу через усилитель, изменяется по фазе на 180 градусов. Второй полюс (2) - не инвертируемый . Третий полюс (3) - выходной , на нём образуется выходной сигнал - отклик. К нему подключается нагрузка. Общий полюс (базисный) имеет потенциал φ = 0. 12

1. По количеству внешних полюсов: 13

Два полюса 1 - 1`, к которым подводится воздействие, называются входными полюсами. 13

Два полюса 2 - 2`, к которым подключается нагрузка, называются выходными полюсами. 13

Цепи с большим количеством полюсов называются многополюсниками. 13

2. По виду дифференциального уравнения (ДУ) цепи. 13

3. По характеру (виду) коэффициентов a i ДУ: 14

линœейные цепи – коэффициенты a i не зависят от x и y; 14

нелинœейные цепи - коэффициенты a i (x, y) являются функцией воздействия или отклика, т. е. зависят от х и у; 14

параметрические – коэффициенты a i (t) зависит от времени t. 14

4. По виду производных в ДУ. 14

Цепи с сосредоточенными параметрами . Такие цепи описываются ДУ в полных производных. 14

Цепи с распределёнными параметрами описываются ДУ в частных производных. 14

5. По виду элементов. 14

а) Резистивная цепь состоит только из резисторов R; 14

б) Реактивная цепь состоит только из L и C; 14

в) RC – цепь; 14

г) RL – цепь; 14

д) RLC – цепь. 14

РАЗДЕЛ 2 ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ .. 15

ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ .. 15

X m – амплитуда (максимальное значение) колебаний; 15

X = X m /√2‾ - действующее значение ; 15

ω – угловая частота [рад/с]; 15

f = 1/T - циклическая частота [Гц]; 15

T – период колебаний [с]; 15

θ(t) = (ωt + φ 0) – аргумент косинуса принято называть полной фазой (просто фаза ) гармонического колебания; 15

Векторное представление гармонического сигнала. 16

Множитель принято называть оператором вращения . Он характеризует изменение функции во времени. 17

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, показательна форма примет окончательный вид. 17

Мгновенное комплексное значение должна быть записано и в алгебраической форме 17

где a – действительная, b – мнимая часть. 17

Физический смысл комплексного сопротивления. 19

Векторное представление комплексного сопротивления . 20

Комплексная проводимость участка цепи. 20

Схемы замещения комплексного сопротивления и проводимости .. 21

КОМПЛЕКСНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПРОВОДИМОСТИ ИДЕАЛИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 22

(R, L, C) 22

Сопротивление R .. 22

Вывод: в сопротивлении R ток и напряжение совпадают по фазе . 22

Индуктивность L .. 23

Вывод: комплексное сопротивление индуктивности является чисто реактивным сопротивлением; 23

сопротивление прямо пропорционально частоте, ᴛ.ᴇ. зависит от частоты. 23

В индуктивности напряжение опережает ток на 90 0 . 23

Емкость C .. 23

Вывод: комплексное сопротивление емкости чисто реактивное; 24

оно обратно пропорционально частоте; 24

напряжение на емкости отстает от тока на 90 0 . 24

Комплексное сопротивление смешанной RLC –цепи .. 24

Модуль комплексного сопротивления. 25

Вывод: Сопротивление RLC-цепи зависит от частоты. Может обладать свойствами RC-, R- и RL- цепей. 25

Годограф или амплитудно-фазовая характеристика(АФХ) – геометрическое место точек конца вектора комплексного параметра в комплексной плоскости при изменении частоты от 0 до ¥. 26

Вывод: активная мощность P A характеризует потери энергии в цепи за счёт резистивной составляющей r сопротивления. Реактивная мощность P Q характеризует накопление энергии в реактивной части x . 29

Следовательно, добротность характеризует отношение между потерями и накоплением энергии. 29

Вывод: Генератор согласован с нагрузкой, в случае если внутреннее сопротивление генератора и сопротивление нагрузки комплексно-сопряженные . 30

РАЗДЕЛ 3. ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ. 31

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ ЦЕПИ. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ 31

ω н – несущая частота . 31

S = ω 2 - ω 1 - ширина канала по частоте . 31

Для разделœения каналов между собой в радиотехнике используются устройства “Электрические фильтры ”- цепь, способная пропускать сигналы в заданном диапазоне частот S . (селœекция сигналов.) 31

Каждый фильтр должен обладать определённой избирательностью. 31

Избирательность - способность цепи выделить или пропустить сигналы в заданной полосœе частот. 31

Полоса частот S , в пределах которой фильтр пропускает сигналы, принято называть полосой пропускания (ПП). 31

Два полюса 1-1` называются входными , к ним подводится входной сигнал. Клеммы 2-2` называются выходными , к ним подключается нагрузка, на них образуется выходной сигнал после фильтрации. 31

Основным параметром фильтра является коэффициент передачи по напряжению K u (j ω) 31

Зависимость модуля от частоты K(ω) принято называть амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). 32

Зависимость аргумента коэффициента передачи или фазы от частоты принято называть фаза частотной характеристикой (ФЧХ). 32

К частотным характеристикам относится еще одна амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) – годограф. Годограф - ϶ᴛᴏ геометрическое место точек конца вектора параметра в комплексной плоскости при изменении частоты от 0 до ¥. 32

Вывод: АЧХ, ФЧХ, годограф образуют семейство комплексных частотных характеристик. 32

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЛЬТРОВ .. 33

Фильтры можно классифицировать по разным признакам. 33

1) По положению полосы пропускания фильтра. 33

а) Фильтр нижних частот (ФНЧ). 33

Полоса пропускания лежит в пределах 0 ≤ ω ≤ ω гр. ω гр – граничная частота полосы пропускания. 33

б) Фильтр высоких частот (ФВЧ) 33

Полоса пропускания в пределах ω гр < ω < ¥. 33

в) Полосовой фильтр (ПФ) 34

Полоса пропускания лежит между граничными частотами ω гр1 < ω < ω гр2 . 34

г) Заградительный (режекторный) фильтр. 34

2) По относительной ширинœе полосы пропускания. 34

3) По избирательности фильтра. 34

КОМПЛЕКСНЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ .. 35

ПРОСТЕЙШИХ ЦЕПЕЙ .. 35

Цепь первого порядка. 35

КОМПЛЕКСНЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИ .. 36

ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА .. 36

ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ВТОРОГО.. 38

ПОРЯДКА.. 38

ПОСЛЕДОВАТЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЛЬНЫЙ КОНТУР. 38

Принципиальная, упрощённая схемы и схема замещения последовательного колебательного контура 38

Явление резонанса в последовательном колебательном контуре . 39

Частотные характеристики последовательного контура, включённого четырёхполюсником 45

Вывод: последовательный колебательный контур должна быть использован, как полосовой или режекторный фильтр. 47

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР. 48

Принципиальная схема, схема замещения. 48

Токи в ветвях параллельного контура . 49

Частотные характеристики параллельного . 49

колебательного контура. 49

Отсюда можно сделать вывод,что всœе сказанное для сопротивления Z последовательного колебательного контура справедливо для проводимости Y параллельного колебательного контура. 49

СВЯЗАННЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРА.. 50

Преобразование формулы. 54

Постановка задачи .. 56

Первый закон. Напряжение на ёмкости в момент коммутации . 57

РАЗДЕЛ 5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ .. 67

ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ .. 67

– коэффициент передачи по току в режиме короткого замыкания на выходе. 69

Связь между первичными параметрами .. 71

четырехполюсника . 71

Уравнения определяют входное и выходное напряжения. 72

Расчет первичных параметров четырехполюсников . 74

по его принципиальной схеме . 74

Первичные параметры любой схемы можно определить, применяя метод узловых напряжений или метод контурных токов. 74

Пусть задан четырёхполюсник, содержащий n независимых узлов. 74

Подключим на вход источник тока J 1 и на выход J 2 , которые определяют входной ток I 1 и выходной ток I 2 . Внутри нет независимых источников. 74

Тогда можно составить систему уравнений методом узловых напряжений, и записать ее в матричной форме: 74

J 1 = I 1 , J 2 = I 2 , U 11 = U 1 , U 22 = U 2 74

Решая систему относительно напряжений U 11 и U 22 , получим уравнения в системе Z– параметров. 74

– общий определитель [Y]– матрицы. 74

Электрическое состояние при каскадном соединœении: 75

При параллельном соединœении четырёхполюсников складывается [Y]– матрицы. 76

Характеристические параметры .. 77

четырехполюсников . 77

Такой цепью является двухпроводная линия передачи: 80

Диф. уравн. для таких цепей записывается в частных производных. Все процессы можно описать уравнениями теории поля, однако в инженерных расчетах можно воспользоваться законами Кирхгофа. 80

На основании физических рассуждений можно составить следующую схему отрезка. 80

Различают два типа длинных линий: 81

Пример: Два провода и диэлектрик сделаны из материалов, которые не меняет свои свойства по длинœе. 81

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ (Телœеграфные уравнения) 82

Решение телœеграфных уравнений. 83

Полученные уравнения являются однородными 2-го порядка, линœейными (т.к. Z 1 и Y 1 не зависят от x). 83

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, окончательный вид решений уравнений: 84

Рассмотрим всœе режимы волн. 88

На практике это не всœегда выполняется ᴛ.ᴇ. не реализуется согласование линии с нагрузкой. 91

Введение 3. 93

Раздел 1. Основные понятия и определœения теории. 93

элетрических цепей. Идеализированные элементы. Законы Ома и Кирхгофа. 5 93

Раздел 2. Линœейные цепи при гармоническом.. 93

воздействии. 15. 93

Раздел 3. Частотно-избирательные цепи. 31. 93

Раздел 4. Переходные процессы в электрических цепях. 93

Раздел 5. Основы теории четырехполюсников 67. 93

Раздел 6. Цепи с распределœенными параметрами. 93

(Длинные линии). 80. 93

СОГЛАСОВАНИЕ ЛИНИИ С НАГРУЗКОЙ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "СОГЛАСОВАНИЕ ЛИНИИ С НАГРУЗКОЙ" 2017, 2018.

В этом разделе мы обсудим, какие бывают варианты согласования высокочастотных сигналов на печатной плате. Как показано в разделе , согласование сигналов крайне необходимо практически в любой современной цифровой схеме. И решение этой проблемы возлагается не только на разработчика схемы, но и на конструктора печатной платы. Именно от него зависит, насколько грамотно будут решены все вопросы согласования линий передачи.

Какова должна быть структура печатной платы? В каких слоях разводить критические сигналы, а в каких разместить планы земли и питания? Где должен стоять согласующий резистор? Как он должен быть подключен к выводу микросхемы и к опорному плану? Задача инженера-конструктора — перед началом проектирования платы получить полное описание требований к схемам согласования сигналов и качественно реализовать эти требования при проектировании печатной платы.
Вопросы, поднятые в данной статье, хорошо знакомы разработчикам-схемотехникам, но часто становятся камнем преткновения при взаимодействии с конструктором ПП и приводят к сложностям при необходимости внятно изложить подобные требования в техническом задании на разработку печатной платы. Надеемся, что наша публикация поможет снять эти барьеры.

Виды согласования линий передачи
«Классические» ВЧ-линии передачи данных (рис. 1) согласуются и на стороне источника, и на стороне приемника сигнала (нагрузки) с помощью «терминирующих» резисторов величиной Z 0 (равных по величине характеристическому сопротивлению линии). Как правило, источник и/или приемник имеет соответствующее собственное выходное/входное сопротивление. Хотя эта технология является идеальной и во многих случаях единственно допустимой, она вдвое уменьшает величину принимаемого сигнала. Поэтому большинство аналоговых и цифровых схемных решений использует другой вариант — низкоомный источник и высокоомный приемник сигнала, с согласованием линии только на одном конце, что позволяет сохранить исходный уровень сигнала на приемном конце.

Специалисты по СВЧ-технике часто применяют реактивные компоненты или даже длину проводника как элемент согласования, однако согласование широкополосных аналоговых и цифровых сигналов требует соответствующих резисторов, причем желательно SMD, вследствие их хороших ВЧ-свойств.
Чтобы оптимально использовать терминирующие резисторы, они должны быть подсоединены к опорным планам с посредством «низкоиндуктивной» технологии так, как показано на рис. 2.
На рис. 1 представлены типовые схемы согла сования линий передачи. Классическая схема согласования по-прежнему часто используется для передачи высокоскоростных сигналов, например по бэкплейнам (соединительным панелям).

Последовательное согласование
Если сигнал распространяется только по печатной плате, может быть задействована схема последовательного согласования на передающем конце линии, с выбором такого согласующего резистора, что в последовательном соединении с сопротивлением выхода получится значение, равное Z 0 линии. Преимущество этого метода — в малой потребляемой мощности, и он более всего подходит для линий с одной нагрузкой на удаленном конце. Если по длине линии имеются дополнительные нагрузки, на них может наблюдаться «ложное переключение из-за отраженной волны» и может потребоваться искусственное замедление быстродействия входов для предотвращения ложного срабатывания.

Параллельное согласование
Параллельное согласование (или «шунт») на дальнем конце линии используется в случае, если есть ряд устройств, подключенных на всем протяжении линии передачи, при этом они должны быть очень быстрыми, что может приводить к «случайному переключению».
Согласующий резистор на рис. 1 показан подключенным к плану «земли», но для некоторых семейств микросхем логики это может быть другой опорный план питания (например, положительное питание для семейства ECL). Параллельное согласование ведет к гораздо большему потреблению, а также может чрезмерно нагружать выходы микросхем.
Альтернативные виды параллельного согласования — схема Тевенина и схема RC. Схема Тевенина использует резисторы, параллельное сопротивление которых дает Z 0 , а их значения таковы, что постоянное напряжение в средней точке примерно равно среднему напряжению в линии, чтобы снизить потребление. Схема Тевенина требует корректного выполнения развязки планов питания во всей используемой частотной области, поэтому поблизости от линии следует располагать соответствующие развязывающие конденсаторы.
Схема RC использует, как правило, терминирующий конденсатор величиной от 10 до 620 pF и выполняет согласование только для высоких частот. Вследствие сложностей с применением конденсаторов в широком частотном диапазоне, схемы RC менее эффективны, чем параллельное согласование и согласование по схеме Тевенина.
Схема «активного согласования» использует источник питания для поддержания уровня напряжения на «дополнительном» опорном плане на требуемом уровне, совпадающем со средним значением цифровых сигналов. Параллельный терминирующий резистор подключается к этому плану, который должен быть корректно развязан для заданного частотного диапазона. Электрически эквивалентная схеме Тевенина может уменьшить потребление при использовании источника опорного напряжения, работающего в классе AB (способного как отдавать, так и потреблять ток).

Двунаправленная линия
Если линия передачи двунаправленная, оптимальным местом расположения терминирующего резистора (последовательного или параллельного) является середина линии. Поэтому такие линии должны быть по возможности выполнены как наиболее короткие, они не могут работать на максимальной скорости, на которой способны работать сами микросхемы. Вместо последовательного согласования в середине линии применяются последовательные согласующие резисторы на выходе каждого из возможных передатчиков, но это может не дать хороших результатов с точки зрения целостности сигналов, если только эти линии не очень коротки. Параллельное согласование на обоих концах может дать очень хороший эффект и обеспечивает более высокие скорости передачи, однако передатчики должны быть способны работать на нагрузку с меньшим сопротивлением, к тому же возрастает потребление схемы в целом. Параллельное согласование (или схема Тевенина, или схема активного согласования) на обоих концах используется в последовательных или параллельных шинах данных, таких как SCSI и Ethernet.

Конфигурация «звезда»
Если несколько последовательно-согласованных линий передачи соединены в одну точку «звездой», то:
- либо используют один терминирующий резистор, выбранный так, чтобы общее сопротивление источника было равно параллельной комбинации всех линий, соединенных звездой;
- либо используют согласующий резистор в каждой линии.
Второе решение лучше.
Звездообразная конфигурация может быть использована и для соединения нескольких параллельно-согласованных линий. В любом случае источник должен быть в состоянии работать на параллельную комбинацию сопротивлений всех подключенных линий.
В общем случае лучше выбирать большее значение Z 0 для уменьшения сигнальных токов и снижения излучения от проводников. Многие обычные микросхемы семейств CMOS или TTL не были изначально предназначены для работы на линию передачи и не имеют ни достаточной выходной мощности, ни выходного сопротивления, идентичного для высокого и низкого уровня выходного сигнала. Такие микросхемы в принципе иногда можно использовать, подключая по схеме последовательного согласования, а также по схемам Тевенина, RC-согласования или активного согласования в линиях с высоким импедансом, однако предсказать оптимальное значение импеданса и оптимальную схему включения для каждого вида микросхем практически невозможно.
Тем не менее многие современные микросхемы созданы специально для работы на линию передачи, и широкий спектр доступных устройств типа LVDS и т. п. упрощает задачу формирования синхросигналов (стробов, «клоков») и работы сшинами данных, а также уменьшает сложности с ЭМС. Микросхемы драйверов (передатчиков) для шин данных могут иметь выходное сопротивление 25 Ом - это предоставляет возможность подключать «звездой» четыре отдельных линии с импедансом 100 Ом или шесть линий с импедансом 150 Ом. Некоторые типы драйверов имеют встроенный DC/DC-преобразователь, что позволяет им генерировать удвоенный уровень выходного сигнала относительно стандартного логического уровня и тем самым при подключении в классической схеме согласования обеспечить стандартный уровень сигнала на входе приемника.

Структура слоев печатной платы
В предыдущей статье мы показали, что для критических высокоскоростных сигналов важно расположение рядом с ними опорного плана. Посмотрим, как может выглядеть типовая структура печатной платы с учетом этого требования.
Четырехслойная печатная плата часто имеет следующую структуру:
1) Микрополосковые линии передачи и другие критические сигналы.
2) Опорный план GND.
3) План питания.
4) Некритические сигналы.
Примечание: хорошей практикой для обеспечения ЭМС является повышение взаимной емкости планов «земли» и питания путем минимизации толщины диэлектрика между ними (в данном случае между слоем 2 и 3) до 0,15-0,1 мм, что существенно улучшает показатели развязки схемы по питанию. Однако это требование противоречит сложившейся на сегодняшний день традиционной схеме прессования «фольга-препрег-ядро-препрег-фольга», где толщина препрега не может превышать 0,3 мм. В таком случае при толщине платы 1,6 мм толщина ядра (расстояние между слоем 2 и 3) может быть 1,2, 1,0 или 0,8 мм, не менее. Если уменьшение расстояния между планами питания является критичным, возможно использование структуры «ядро-препрег-ядро», но для современных производств ПП данное решение становится менее технологичным и более дорогим.
Если для реализации схемы нужно больше сигнальных слоев, могут потребоваться дополнительные планы GND. Высокочастотные сигналы, проведенные в соседних слоях, должны быть разведены под углом 90° в одном слое относительно другого. Заметим, что сигналы синхронизации («клок»), высокоскоростные шины данных и другие критические сигналы не должны менять слой при разводке.
Вот один из вариантов структуры восьмислойной платы:
1) План GND.
2) Наиболее критичные сигналы, «смещенные полосковые линии».
3) Наиболее критичные сигналы, «смещенные полосковые линии», разводка выполнена под углом 90° относительно слоя 2 для уменьшения перекрестных наводок.
4) План GND.
5) План питания.
6) Некритические сигналы.
7) Некритические сигналы и некритические «смещенные полосковые линии», разводка выполнена под углом 90° относительно слоя 6 для уменьшения перекрестных наводок.
8) План GND.

Буферизация также является хорошим способом для снижения нагрузки в линии передачи. Например, если имеется десять дочерних плат, и на каждой десять микросхем, принимающих один и тот же сигнал, общая емкость нагрузки может достигать 400 пФ. Сигнал и токи возврата имеют очень длинный и разветвленный путь распространения, что повышает вероятность возникновения проблем с ЭМС. Буферизация сигнала на каждой плате снизит эту суммарную емкость до 40 пФ при том, что сигнал и токи возврата от десяти микросхем, расположенных на каждой плате, теперь протекают только по этой плате, тем самым улучшая целостность сигналов и уменьшая проблемы ЭМС.
Для скоростных сигналов, передаваемых по бэкплейну на дочерние платы, важно сохранять единую физическую структуру линии передачи. Так, полосковые линии на дочерних платах должны быть продолжены как полосковые линии на соединительной плате. Если на дочерней плате сигнал распространяется относительно опорного плана питания, при переходе на бэкплейн и далее на другие платы он должен продолжать распространение относительно того же плана. Заметим, что в принципе допускается смена вида линии передачи, при сохранении значения волнового сопротивления, однако это приведет к некоторой деградации в целостности сигнала.
Подключение планов «земли» и планов питания через разъемы должно осуществляться множеством контактов, идеально - по всей длине разъема. Иногда бывает целесообразно подключать к разъему выводы «земли» (возвратного тока), сигналов и планов питания в шахматном порядке, например, GND, сигнал 1, +5 В, сигнал 2, GND, сигнал 3, … и т. д.

Изоляция высокоскоростных областей на соединительных платах
Ранее мы говорили, что высокоскоростные микросхемы должны быть расположены в середине выделенных областей на печатной плате, далеко отстоящих от края платы, от краев опорных планов питания и от разъемов. Система, показанная на рис. 3, предлагает размещать наиболее быстрые микросхемы вблизи разъемов и не учитывает вышеуказанные требования.
Использование такой системы требует выполнения высокочастотного подключения опорных планов на соединительной плате к соответствующим планам на дочерних платах так, чтобы для наиболее высокочастотных составляющих сигнала не возникало разрыва в волновом сопротивлении. В такой ситуации могут помочь экранированные разъемы - их экраны должны состыковываться с ответными частями по окружности на 360°, а также должны быть подсоединенными по всей длине разъема к опорному плану GND как на дочерней плате, так и на соединительной плате. Независимо от того, используется ли экранированный или неэкранированный разъем, для каждого сигнального провода и каждого вывода питания на разъеме должен присутствовать вывод цепи возвратного тока GND и эти выводы должны быть расположены равномерно по всей длине разъема. Разъемы с согласованным импедансом, как правило, уже содержат вывод возвратного тока на каждый сигнальный вывод.
Важно обеспечить расположение высокоскоростных сигналов ближе к середине разъема и не допускать их прохождения близко к краю платы или соединительной платы.

Заключение
Мы рассмотрели типовые схемы согласования высокоскоростных сигналов и шин передачи данных с точки зрения конструирования печатных плат. Были обсуждены варианты трассировки шин данных, возможности буферизации сигналов. Будем рады, если приведенная информация поможет инженерам-схемотехникам во взаимодействии с инженерами-конструкторами печатных плат.

Литература
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.