Перейти к содержанию

Линия передачи

На низких частотах провод передаёт напряжение мгновенно по всей длине. Когда фронт сигнала становится сравним со временем пробега по проводу, тот превращается в линию передачи — и у него появляются волновое сопротивление, задержка и отражения.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Линия передачи (transmission line) — пара проводников, например дорожка над опорной плоскостью, витая пара или коаксиальный кабель, по которой сигнал распространяется волной с конечной скоростью. Её распределённые индуктивность и ёмкость задают волновое сопротивление Z0 — отношение напряжения к току бегущей волны. Там, где Z0 меняется, — на конце, отводе, переходном отверстии, — часть волны отражается с коэффициентом отражения (TI SCAA082A, разд. 1.3 и 2).

Короткая и длинная линия

Kuphaldt делит линии по отношению времени пробега к периоду сигнала: линия электрически короткая, если время пробега — малая доля периода, и длинная, если сравнимо с ним; для синусоиды длинной считают линию от четверти длины волны. В короткой линии поведение схемы определяет нагрузка, в длинной — волновое сопротивление самой линии; согласованная нагрузка устраняет отражения при любой длине (Kuphaldt, т. II, разд. 14.5).

Для цифрового сигнала важна не частота, а длительность фронта: трапеция с коротким фронтом содержит гармоники намного выше основной частоты — TI советует для такта 100 МГц учитывать частоты до 500 МГц (SCAA082A, разд. 1.2). Медленный по частоте, но быстрый по фронту сигнал ведёт себя как высокочастотный. Где проходит граница, разобрано в статье «Критическая длина линии».

Скорость и задержка

Скорость волны задаёт диэлектрик. На FR-4 TI приводит (SCAA082A, табл. 2):

ЛинияЗадержка на 100 мм
Микрополосок 0,5 мм на FR-4 1,5 мм (внешний слой)581,7 пс (≈ 5,8 пс/мм)
Полосковая линия (внутренний слой)715,3 пс

У микрополоска часть поля проходит по воздуху, поэтому он быстрее. Задержка линии складывается с задержкой логики: в опыте TI с SN74LS00 на согласованной линии 100 Ом длиной 11 м к задержке элемента прибавлялось 55 нс — 5 нс на метр (SDYA009C, разд. 6.3). Задержку своей дорожки посчитает калькулятор задержки.

Что из этого следует

  • Отражения. На рассогласованном конце волна отражается: выбросы, провалы и звон. Их убирают согласованием — последовательным у передатчика или параллельным у приёмника.
  • Неоднородности. Переходные отверстия, ветвления, прямые углы и отводы меняют Z0 и тоже отражают (SCAA082A, разд. 2).
  • Опорная плоскость. Z0 дорожки задаёт расстояние до плоскости под ней, поэтому разрыв плоскости под быстрой линией — тоже неоднородность.

Полный разбор с примерами — в статье «Целостность сигналов».

Частые вопросы

Когда дорожку на плате надо считать линией передачи?

Когда время пробега сигнала по ней сравнимо с длительностью фронта. По правилу TI AN-807 фронт должен быть не короче 3–4 задержек линии, тогда отражения сливаются с ним. На FR-4 микрополосок задерживает сигнал примерно на 5,8 пс на миллиметр, и для фронта 1 нс граница — около 6 см. Частота сигнала тут вторична: важен фронт.

Почему кабель длиной 10 м задерживает сигнал на 50 нс?

Потому что сигнал в линии бежит со скоростью, меньшей скорости света в вакууме, — её задаёт диэлектрик. TI измеряла это на SN74LS00 с линией 100 Ом: на 11 м к задержке логического элемента прибавлялось 55 нс, то есть 5 нс на метр. Задержка не зависит от согласования — согласование лишь убирает отражения.

Чем линия передачи отличается от обычного провода?

Ничем, кроме масштаба времени. Любая пара проводников — линия передачи, но пока сигнал меняется медленно по сравнению с временем пробега, распределённые индуктивность и ёмкость незаметны, и пара ведёт себя как провод. Когда фронт сравним с задержкой, становятся важны волновое сопротивление, отражения и согласование.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, vol. II: AC, 6th ed., 2021, chapter 14 «Transmission lines» (CC BY 1.0) — разд. 14.5: электрически короткая и длинная линия; длинной считают линию от четверти длины волны; λ = v/f, коэффициент укорочения; в короткой линии поведение определяет нагрузка, в длинной — волновое сопротивление; согласованная нагрузка устраняет отражения при любой длине
  2. Texas Instruments. High-Speed Layout Guidelines (SCAA082A, November 2006, revised August 2017) — разд. 1.2: гармоники трапециевидного сигнала зависят от длительности фронта, у такта 100 МГц учитывать до 500 МГц; разд. 1.3: дорожка — линия передачи, когда её длина сравнима с длиной волны; табл. 2: микрополосок 0,5 мм на FR-4 1,5 мм — 171,9 мм/нс, 581,7 пс на 100 мм, полосковая линия — 715,3 пс на 100 мм; разд. 2: переходные отверстия, отводы, прямые углы, ветвления — неоднородности
  3. Texas Instruments. Designing With Logic (SDYA009C, June 1997) — разд. 6.3: SN74LS00 на согласованную линию 100 Ом длиной 0, 1 и 11 м — задержка элемента не меняется, к ней прибавляется время пробега 5 нс/м

Нашли ошибку?

Смотрите также