¿Por qué las impedancias características solo importan cuando las trazas son más largas que la mitad de una longitud de onda?

Algunas promociones personales sin escrúpulos: Simulación de línea de transmisión en línea

Ajustar la longitud de la línea de transmisión frente a la frecuencia de la señal es equivalente a ajustar el retardo de tiempo ( tDelay ) versus tiempo de aumento ( tRise ).

Algunos parámetros interesantes: establece tDelay=tRise/10 . Este es el caso donde la longitud de onda es mucho más larga que la línea de transmisión. Observe que la traza roja se reflejará desde el extremo remoto varias veces antes de alcanzar el nivel máximo de "encendido" de 1V. Sin embargo, cada reflexión es relativamente pequeña porque el voltaje a la izquierda de la traza roja no es significativamente diferente del nivel de la unidad (traza azul). La señal fue capaz de propagarse al objetivo lo suficientemente rápido como para que la distancia de separación nunca fuera demasiado significativa.

Ahora repita con un caso de, por ejemplo, tDelay=tRise/2 . Observe que la separación de la tensión de la fuente impulsora de la tensión de terminación no coincidente roja es significativamente mayor. Cuando la señal finalmente llega al final de la línea de transmisión, la reflexión es bastante severa. Este desajuste entre lo que el receptor cree que es el voltaje del variador y el verdadero voltaje del variador determina la magnitud de cualquier reflexión. Las reflexiones repetidas se producen porque la reflexión hace que el nivel de la línea sobrepase el nivel de la fuente, pero es más pequeño que la primera reflexión. La señal se refleja repetidamente hasta que el nivel se asienta cerca del voltaje de la fuente.

Una traza de 1/4 de longitud de onda o más corta también puede tener un efecto sustancial. La regla general que he escuchado y usado es que probablemente pueda ignorar los efectos de la línea de transmisión cuando la longitud sea menor a 1/10 o 1/20 de longitud de onda.

Para un ejemplo simple, supongamos que termina una línea de longitud de onda de 1/4 con un circuito abierto y la conduce con una fuente de una sola frecuencia. Después de que la señal se refleje nuevamente en la fuente (1/4 de longitud de onda de distancia), parecerá que la fuente está provocando un cortocircuito en lugar de un circuito abierto. Ese es un efecto bastante sustancial.

Para una situación más habitual en el diseño digital, usted diseña la línea como 50 ohmios y termina la línea con 50 ohmios, pero la impedancia característica real de la línea puede variar en producción entre 45 y 55 ohmios. Desea saber el efecto que tendrá en la integridad de la señal.

Si la línea es larga, la señal se propaga hasta el final y se refleja. Luego se propaga de nuevo a la fuente (que puede no estar bien emparejada) y se refleja nuevamente. Y así. Esto produce un voltaje en la carga con un anillo sustancial en cada flanco ascendente y descendente. El tiempo que tarda en extinguirse este anillo es más largo si la traza es más larga porque los reflejos tardan en propagarse de un lado a otro.

Por otra parte, si la línea es muy corta (menos de 1/10 de longitud de onda en la "frecuencia crítica" relacionada con el tiempo de subida y caída de las señales digitales), todas estas reflexiones ocurrirán dentro del tiempo el flanco ascendente o descendente todavía está en progreso y no producirá mucho timbre (rebasamiento o falta de ajuste) en la carga.

Es por esto que a menudo escuchará una regla general de que el control de impedancia no es necesario cuando la longitud del trazado es una pequeña fracción de la longitud de onda.

La longitud de onda larga en comparación con las trazas en realidad significa que hay poco voltaje a lo largo de las trazas; un extremo es casi siempre el mismo que el otro extremo (en comparación con la magnitud de la señal), por lo que el efecto de las reflexiones es mínimo.

Como @ThePhoton dice que deberías estar pensando en 1/10 o 1/20 de longitud de onda, no en 1/4.

Si piensa en olas de agua en un tanque estrecho y profundo, y un lado no puede ser mucho más alto que el otro (por ejemplo, 10 veces la longitud de onda), se parece más a subir y bajar el agua en el tanque.

Un cable sin terminar de cuarto de onda se verá como un circuito corto y esto se debe evitar por razones obvias. A medida que el cable se reduce en longitud, las cosas mejoran para las partes de alta frecuencia de su espectro de señal y, generalmente, se olvidan alrededor de una décima parte de las longitudes de onda.

Así es como se ve una línea abierta cuando su longitud coincide con un cuarto de onda del voltaje aplicado: -

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Y, si realmente desea entender más sobre esto, este sitio puede ayudar