Согласование линий передачи данных на печатной плате. Проблема согласования нагрузки с линией передачи

До сих пор мы рассматривали только длинные кабели. Однако особенность длинной линии в том, что ее волновое сопротивление не зависит от длины. Переводя на человеческий язык: даже используя короткий кабель, нельзя расслабляться.

Уберем 20-метровый кабель, заменим его полуметровым куском и измерим задержку распространения сигнала:

Рисунок 12. Задержка распространения в 2,3-метровой линии (сверху - вход, снизу - выход)

Ожидаемая задержка в кабеле длиной 4×0,5 м должна быть примерно 10 нс, но измерения показывают значение, далекое от расчетного. Этому есть несколько объяснений:

• провода щупов имеют разную длину: 1.6 нс ошибки;
• разъемы подсоединены к плате проводам длиной 15 см: два раза по 0,75 нс;
• фиолетовый провод от драйвера к кабелю (рис. 5, слева) имеет длину 10 см: еще 0,5 нс ошибки;
• скорость сигнала в кабеле меньше, чем 2/3 скорости света. В соответствии со спецификацией на кабель, около 0,64·с: 4% ошибки;
• витая пара имеет большую электрическую длину, чем сам кабель, из-за того, что проводники идут по спирали: количественная разница неизвестна.

Суммируя эти ошибки, кроме последней, и принимая длину кабеля вместе с выводами (будет 2,3 м), получаем расчетную задержку 12,7 нс, что соответствует длине линии 2,4 м. Уже гораздо ближе к реальности.

Что произойдет, если передать по этой не-очень-длинной линии сигнал частотой 100 кГц?

Рисунок 13. Кабель 2,3 м, сигнал 100 кГц, сильноточное питание линии.

Ответ: если не согласовать кабель, будет много высокочастотного «звона».

Как видно из рисунка 13 (справа вверху), на выходе появляется много шума после каждого фронта. Этот шум - не что иное, как сигнал, который гуляет по кабелю туда-сюда, многократно отражаясь от его концов.

2,3-метровый кабель имеет то же волновое сопротивление, что и 80-метровый. Звон практически исчезает, если подключить сопротивление 100 Ом, это означает, что энергия, поступившая в кабель, свободно из него выходит.

Повторение эксперимента на более высокой частоте позволяет лучше понять причину «звона»:

Рисунок 14. Кабель 2,3 м, сигнал 1 МГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева - вход, справа - выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева - вход, справа - выход

В нетерминированной линии возникают резонансные колебания. Верхняя правая осциллограмма на рисунке 14 это показывает. В данном случае ни один из концов линии не согласован. Энергия, поступившая в кабель, отражается от его конца, движется обратно к началу и отражается снова. Это приводит к возникновению резонансной волны в кабеле. Эта волна будет существовать, пока вся ее энергия не рассеется благодаря затуханию в кабеле.

Частота резонанса, согласно рисунку 14, составляет примерно 20 МГц. Причина того, что частота именно такая, заключается в длине кабеля. Задержка распространения сигнала, как было измерено раньше, 12,7 нс. Период резонансных колебаний - 50 нс, то есть почти ровно в 4 раза больше, плюс-минус погрешность измерений.

Частота резонанса соответствует длине волны сигнала (обозначается буквой «лямбда»: λ). Можете представить себе этот «звон» как стоячую волну в кабеле (стоячая волна - суперпозиция двух встречно направленных бегущих волн. - Прим. перев. ) . Когда вы возбуждаете колебательную систему, она будет резонировать на частоте, где длина волны соответствует длине кабеля. Для резонанса нужна длина 1/4 λ или более высокий обертон. Полезный совет: не позволяйте вашим линиям вот так «звенеть», это может повредить схему.

Выходное напряжение при правильном согласовании (рис. 14, внизу справа) составляет «нормальные» 5 В. В отличие от 80-метрового кабеля, тут сопротивление линии постоянному току очень мало (около 0,86 Ом). Таким образом, эффект делителя напряжения, заметный на длинном кабеле, здесь выражен не так сильно. Тем не менее, входной и выходной проводники земли, по-прежнему, не одна и та же точка, и нужно избегать их соединения.

Восстановление сигнала

Послать сигнал в кабель - это только полдела, нужно еще выходной сигнал превратить обратно во что-нибудь понятное. Вот три основных проблемы с сигналом после прохождения через длинную линию:

1. безобразные фронты сигнала;
2. нарушение баланса сигнала;
3. смещение уровня земли.

Первая проблема решается добавлением буфера. Этот буфер должен содержать триггер Шмитта , чтобы избежать возможных неопределенных состояний при передаче сигнала.

Вторая часть чуть более сложная. Баланс сигнала в цифровой технике имеет отношение к тому, что будет интерпретироваться как «0», а что - как «1». Логическим уровням соответствуют свои диапазоны напряжений, и они достаточно строгие и зависят от типа логики (КМОП, ТТЛ, ТТЛШ и т.д.). Эксперимент с 80-метровым кабелем показал, что амплитуда выходного напряжения значительно снижается. Все логические уровни пропорционально снижены делителем напряжения, и они больше не соответствуют стандартам для применяемых микросхем. Триггер Шмитта сможет корректно восстановить сигнал на приемном конце, только если уровни будут строго заданы. Если есть отклонения, они будут проявляться в изменении скважности принимаемого сигнала.

Третья проблема, как было сказано ранее, связана с тем, что земля источника и земля приемника - не одна и та же точка. Для 80-метрового кабеля это, чаще всего, не представляет собой проблемы, так как на каждй стороне кабеля имеется свой независимый источник питания. Однако, при использовании более коротких кабелей часто применяется общий источник питания, и, следовательно, общая земля.

Уже было сказано, что объединение земляных проводников - это Неприятная Штука™ , когда речь идет о длинных линиях. Вы должны убедиться, что цепи питания развязаны на две отдельные области, как по «горячим» проводникам, так и по земляным (*) . Обратите внимание, что вам нужно развязать источники питания только для восстановления сигнала с длинной линии. У вас вполне может быть одна глобальная земля, но вы должны иметь дело с локальными земляными проводниками, предназначенными для линий передачи данных.

(*): Могут быть исключения, если вы четко представляете себе, что вы делаете. Это относится к продвинутому уровню мастерства, так что спросите совета у вашего знакомого радио-гуру.

Рисунок 15. Восстановление сигнала с использованием триггера Шмитта и раздельных областей питания

Замечание: в схеме на рисунке 15 использовано два инвертора только затем, чтобы сохранить фазу сигнала.

Сигнал на выходе из кабеля нужно «приподнять», чтобы он соответствовал уровням напряжений для «0» и «1». Это делается путем подстройки резистора Rterm так, чтобы напряжение смещения на выходе кабеля находилось где-то посередине между порогов триггера Шмитта. Пороговые напряжения для 74HC14 при питании от 5 В равны: V T+ = 2,4 В, V T- = 1,4 В.

Будет логично настроить делитель на смещение 1,9 В (посередине между порогами), но это должно быть подтверждено экспериментально. Терминатор при настройке 1,9 В имеет составное сопротивление 82 Ом, это немного меньше необходимых ста ом, но все еще приемлемо. Сопротивление источника питания переменному току очень мало, поэтому можно считать верхний и нижний выводы делителя соединенными между собой по переменному току. С точки зрения сигнала на конце кабеля, верхнее и нижнее плечи делителя включены параллельно . Смещению 1,9 В соответствуют сопротивления плеч: 217 Ом - на проводник питания и 133 Ом - на землю.

Рисунок 16. Восстановление сигнала с использованием смещения уровней не искажает скважность импульсов

Возвращаемся ко второму пункту, балансировке сигнала. Рисунок 16 (вверху справа) показывает, что происходит на несогласованной линии. Длительность импульса от источника, 251,4 нс, не равна длительности на выходе триггера Шмитта. Выходной импульс длиннее на 40 нс или почти на 16%. Если вы соединяете несколько линий передачи каскадно, то всего через несколько каскадов от сигнала ничего не останется (то есть коэффициент заполнения достигнет 100% и паузы между импульсами исчезнут. - Прим. перев. ) .

Важно заметить, что изменения скважности сильно зависят от частоты сигнала и длины линии. Небольшое изменение частоты может иметь значительное влияние, в то время как другие изменения могут быть незаметны. То, что проблема не видна, не всегда является признаком отсутствия проблемы.

Добавление терминатора со смещением (рис. 16 внизу справа) приводит к идеальному совпадению длительностей импульсов. Для восстановления скважности настроен уровень смещения 1,81 В (вместо теоретического 1,9 В). Возможно, это связано с небольшим отклонением сопротивлений от номинала.

В реальной жизни вы бы провели несколько испытаний конструкции, а затем пересчитали все значения, чтобы убедиться, что они корректны. Никому не нужны подстроечные резисторы в окончательном варианте конструкции, да они обычно и не требуются. Большинство схем, если они должным образом продуманы, нормально работают с отклонениями в пределах нескольких процентов.

Резонансные эффекты

Отражения в длинной линии могут создать значительные проблемы, если длина волны входного сигнала кратна длине кабеля. На рисунке 17 показаны осциллограммы сигналов для набора частот, для которых 80-метровый кабель составляет 1/8 λ, 1/4 λ, 1/2 λ, 3/4 λ и 1 λ.

Как было сказано выше, первый резонанс наступает при режиме 1/4 λ. Однако, стоячая волна возникает, если в линии укладывается любое целое число четвертьволн. На конце кабеля будет пучность волны, если в линии укладывается нечетное число четвертьволн (1/4 λ, 3/4 λ...), и узел волны - если четное (1/2 λ, 1 λ...). (Здесь речь идет об узлах и пучностях напряжения. Волна тока сдвинута на 1/4 λ относительно волны напряжения, то есть пучности напряжения соответствует узел тока и наоборот. - Прим. перев. )

Проблема возникает при наличии пучности напряжения на конце кабеля. Выходное напряжение является суперпозицией входного и напряжения резонансной волны. Амплитуда напряжения волны сильно зависит от добротности (Q) кабеля. Добротность, в свою очередь, определяется сопротивлением, емкостью и индуктивностью линии. При высоких значениях добротности (Q>1) напряжение в пучности стоячей волны может значительно превышать входное напряжение.

В области высокомощных радиосигналов известны случаи повреждения кабеля резонансной волной. Напряжение в пучностях достигало таких значений, что пробивало изоляцию кабеля.

Рисунок 17. Резонансные эффекты на различных частотах. Слева - нетерминированная линия, справа - терминированная. Верхний канал осциллографа - выход линии, нижний - восстановленный сигнал

Частоту резонансной волны, для которой длина линии равна λ, можно найти на основании величины задержки передачи. Измеренная задержка составляет 402 нс, что дает частоту около 2,5 МГц. На рисунке 17 (нижний ряд) показана эта самая частота, в пределах погрешности.

Следует отметить, что линия становится «прозрачной», когда ее длина кратна длине волны (то есть входное сопротивление линии будет равно сопротивлению нагрузки, и не будет зависеть от волнового сопротивления самой линии. - Прим. перев. ) . В этом случае емкостная и индуктивная составляющие компенсируют друг друга.

Глядя на рисунок 17 можно сказать, что восстановление сигнала работает исключительно надежно. Тем не менее, не следует ждать, что ваше оборудование долго проживет, если оно вынуждено справляться с высоким напряжением на выходе кабеля.

Согласование на входе линии

Длинные линии по своей природе симметричны. С точки зрения согласования это означает: то, что было сказано насчет выхода линии, так же справедливо и для входа. Правильное согласование линии заключается в следующем:

1. выходное сопротивление источника равно волновому сопротивлению линии;
2. волновое сопротивление постоянно по всей длине линии;
3. сопротивление нагрузки (терминатора) равно волновому сопротивлению.

До сих пор, были рассмотрены только реализации пунктов 2 и 3. Тем не менее, можно создать систему, для которой выполняются только пункты 1 и 2.

Рисунок 18. Схема сильноточного питания линии с последовательным согласованием

Источник сигнала (буферы 74HC04) обладает очень низким выходным сопротивленим (меньше 5 Ом). 100-омный последовательно включенный резистор Rterm согласовывает сопротивление источника с волновым сопротивлением линии.

Рисунок 19. Последовательное согласование на входе линии

Когда сигнал направлен в кабель, он отражается от выхода и движется обратно к началу линии. Так как вход правильно согласован, вся энергия покидает кабель без переотражения. На рисунке 19 видно, что отражение накладывается на полезный сигнал только в точке IN_SIG и нигде больше.

В кабеле не возникает резонанса, так как нет условий для многократного переотражения сигнала. Таким образом, выходное напряжение всегда стабильно.

Основное преимущество этой схемы в ее простоте. Второе преимущество состоит в том, что снижается потребление энергии. Драйвер всегда нагружен на сопротивление 100 Ом, которое ограничивает пиковый ток величиной 50 мА (при 5 В). Тем не менее, снижение мощности также является недостатком, так как не позволяет быстро «раскачать» емкость кабеля. Это означает, что полоса пропускания линии будет ограничена.

Другой недостаток данной схемы заключается в том, что драйвер линии должен иметь низкое выходное сопротивление и справляться с отраженным сигналом. На практике могут потребоваться защитные диоды для ограничения перенапряжений.

Несколько заметок по поводу описанного решения:

• сопротивление нагрузки должно быть намного больше волнового сопротивления линии. Это важно, так как отражение сигнала вызывается искусственно. При использовании триггера Шмитта (рис 18) это не вызывает трудностей. Слишком низкое сопротивление нагрузки (но все еще выше волнового сопротивления) влияет на требуемое значение согласующего резистора;
• вы можете устанавливать баланс сигнала на выходе кабеля с помощью высокоомного делителя;
• в этой установке не решены вопросы разводки земли, как обсуждалось раньше, и вы должны решать их отдельно;
• установка не застрахована от проблем, возникающих вблизи резонансных частот.

Двустороннее согласование

Как следует из теории, и как было описано в предыдущем параграфе, линия должна быть согласована и в начале, и в конце. Почему бы так и не сделать?

Дополнительное сопротивление делает восстановление сигнала сложной задачей. Уже говорилось, что 80 метров кабеля со 100-омным терминатором дадут максимальное выходное напряжение всего 3,85 В из-за эффекта делителя напряжения. Введение дополнительного резистора в начале кабеля для согласования с обеих сторон приведет к снижению выходного напряжения до 5 В · 100 Ом / (100 Ом + 100 Ом + 30 Ом) = 2,17 В. При такой амплитуде порог срабатывания триггера Шмитта (2,4 В) никогда не будет достигнут, и сигнал пропадет.

Короткий кабель даст вам в лучшем случае 2,5 В, что не оставляет большого запаса для стабильной работы.

Передача цифрового сигнала требует, чтобы минимальная амплитуда на выходе кабеля соответствовала спецификации. Нет другого способа достичь этого, кроме применения дополнительных схем для усиления сигнала.

Развязка питания

Несколько раз в этой статье была подчеркнута проблема земляных петель. Создание коротких замыканий в проводниках земли может привести к неконтролируемому «звону» на различных частотах. К сожалению, эта проблема просто формулируется, но не имеет простого решения.

Лучшее решение - это обеспечить, чтобы проводники земли не могли соединиться, даже через корпус, экран или внешнее заземление. Однако, это решение не всегда практично, и, конечно, не дешево. Существует довольно простой способ развязать источники питания, вместе с их землями, когда подключение питания осуществляется совместно с подключением сигнальных цепей.

Рисунок 20. Развязка питания с помощью дросселей

Каждая ветвь линий питания проходит через дроссель (или ферритовую бусину). Оба провода, положительный и отрицательный, должны быть свиты вместе. Обмотки на дроссель намотаны таким образом, что магнитные поля положительного и отрицательного проводников компенсируют друг друга, и не создается постоянного подмагничивания.

Дроссель оказывает очень большое сопротивление дифференциальным переменным сигналам, и это гарантирует, что общий провод длинной линии, на котором присутствует переменный сигнал, не имеет связи с шинами питания. Конденсаторы с каждой стороны дросселя, которые имеют низкое сопротивление на высокой частоте, позволяют считать каждую область питания локальным изолированным источником (по переменному току).

Необходимые индуктивности дросселей и емкости конденсаторов будут зависеть от частоты передаваемых сигналов. Более низкие частоты означают использование больших значений. Это полностью зависит от конструкции в целом.

Показанное на рисунке 20 разделение линий питания не обеспечивает идеальной развязки земли. Например, сопротивление земляного проводника по постоянному току будет по-прежнему зависеть от схемы разводки земли. Изменение этого сопротивления изменит параметры делителя напряжения и сдвинет абсолютные уровни сигналов, но это не должно доставить особых проблем, а иногда даже может быть полезным.

Балансные линии

Вместо использования сложных схем разводки земли можно просто перестать использовать землю как точку отсчета, и оставить уровни сигнала свободно плавающими.

Отказ от общего провода в качестве нулевого уровня осуществляется путем применения «положительного» и «отрицательного» соединений между источником и приемником. Сигнал кодируется разностью потенциалов между "+" и "-" проводниками, без учета абсолютного значения этих потенциалов. Такая система называется дифференциальной парой .

Примерами балансных линий передачи могут служить RS-485 , CAN , USB и LVDS .

Балансные линии не решают всех проблем, связанных с длинными линиями. Их по-прежнему нужно правильно согласовывать, как и другие кабели. Однако, к преимуществам балансных линий относятся очень хорошая помехоустойчивость, отсутствие общего провода и широкая полоса пропускания. Платой за это является усложнение схем приемо-передающих устройств.

Заключение

Можно еще много рассказать по теме линий передачи данных. Написано множество книг о тонкостях работы кабелей и длинных линий. Я надеюсь, вы смогли разобраться в некоторых вопросах с помощью приведенных примеров. Несколько советов касательно проектирования линий передачи для ваших будущих разработок:

• убедитесь, что сигналы передаются правильно и не отражаются;
• не забывайте ставить терминаторы;
• если драйвер выдерживает отраженный сигнал, ставьте терминатор на входе линии;
• если отражения нежелательны, терминируйте конец линии;
• проверьте цепи питания и исключите земляные петли;
• на высоких частотах лучше использовать балансные линии и специализированные драйверы;
• если что-то выше вашего понимания, посоветуйтесь со специалистами.

Да пребудет с вами Сила!

Теги:

• длинные линии
• согласование
• волновое сопротивление
• стоячая волна
• терминатор
• витая пара

Добавить метки

Согласование линии передачи с нагрузкой.

Под согласованием линии передачи с нагрузкой понимают мероприятия по обеспечению передачи возможно большей части передаваемой линией мощности от генератора в нагрузку в заданном диапазоне частот.

Идеальное согласование предусматривает передачу всей передаваемой от генератора мощности в нагрузку. В широкополосных системах связи рассогласование линии с нагрузкой может вызывать искажение передаваемой информации и значительному увеличению уровня шумов в тракте. Обычно коэффициент отражения в таких системах во всей рабочей полосе частот не должен превышать 0,02…0,05 (КСВН от 1,04…1,1).

Общие принципы согласования нагрузки с линией передачи.

Согласование может осуществляться как с преобразованием типа волны, так и без преобразования типа волны. Согласование с преобразованием типа волны также называют возбуждением. При согласовании необходимо выполнить следующие условия.

1. заключается в возможности существования требуемого типа волны в нагрузке. Для этого требуется правильно подобрать форму и рассчитать размеры нагрузки.

2. Заключается в возможно полном совпадении структуры поля в нагрузке и линии передач. Для его осуществления применяются преобразователи типов волн.

3. С точки зрения теории цепей заключается в равенстве выходного сопротивления передающей линией комплексно сопряженному входному сопротивлению нагрузки. Так как в случае режима бегущей волны в линии передачи и ее выходное сопротивление чисто активное, то необходимо для компенсации реактивной составляющей сопротивление нагрузки вводить в линию передачи реактивные элементы.

С точки зрения теории электромагнитного поля при отражении от нагрузки образующаяся отраженная волна компенсируется волной, отраженной от реактивного элемента, вводимого в линию передачи, если эти волны будут равны по амплитуде и противоположны по фазе, то есть используется явление интерференции волн.

В результате введения согласующего элемента часть волны от него отражается и в направлении нагрузки, а затем снова к устройству и так далее. При этом на участке между согласующим устройством и нагрузкой образуется, за счет этих переотражений, стоячая волна, запасающая энергию, которая в нагрузку уже не поступает. Величина этой запасенной энергии зависит и от расстояния между согласующим элементом и нагрузкой. Чем больше это расстояние, тем большая энергия запасается. Следовательно, согласующий элемент должен по возможности ближе располагаться к нагрузке.

Узкополосное согласование.

При одном согласующем элементе при изменении частоты нарушаются фазовые соотношения между волной, отраженной от нагрузки и волной, отраженной от неоднородности и согласование нарушается. Поэтому такое согласование, при котором отражение от нагрузки устраняется полностью только на одной частоте называется узкополосным.

Методика узкополосного согласования заключается в следующем.

Проводимость нагрузки

Где , с помощью отрезка линии длинной трансформируется в проводимость , активная часть которой равна волновой проводимости линии

.

Для компенсации реактивной составляющей к точкам 1-1 подключают реактивный шлейф с сопротивлением .

В качестве согласующих элементов для активных составляющих сопротивлений либо применяют отрезок линии длинной такой, чтобы в очках 1-1 входное сопротивление отрезка линии с нагрузкой имело активную составляющую по величине равную волновому сопротивлению линии, либо применяют четвертьволновый трансформатор, который представляет собой отрезок линии длинной с волновым сопротивлением, равным

.

В качестве компенсирующих элементов для реактивных составляющих применяются штыри, диафрагмы, а также короткозамкнутые отрезки линий (шлейфы).

Примеры узкополосного согласования

1. Согласование с помощью короткозамкнутого шлейфа

Известно, что входное сопротивление в сечении линии, где находится узел , а в сечении где находится пучность

Отражения в линии связи отсутствуют только в однородных линиях, т.е. в линиях, у которых все их параметры неизменны по ее длине. Простейшее согласование выполняется на уровне согласования сопротивлений. Оно состоит в том, что дополнительными резисторами включенными на входе и выходе линии изменяют выходное сопротивление передатчика и входное сопротивление приемника таким образом, чтобы они стали равны волновому (характеристическому) сопротивлению линии. Одно из широко распространенных представлений длинной линии (линии с распределенными параметрами) показано на рис.108.

Здесь L - индуктивность приведенная к единице длины линии, а С - емкость единицы длины линии, и - волновое сопротивление определяемое соотношением . В общем случае волновое сопротивление имеет комплексный характер, но при согласовании пользуются значением модуля волнового сопротивления, что приводит к погрешностям согласования. Поэтому добиться полного исключения явления отражения сигналов невозможно.

Рис. 108. Представление длинной линии.

Поскольку входные и выходные сопротивления активных элементов могут быть как больше, так и меньше волнового сопротивления линии то используют различные способы согласования - параллельное и последовательное.

Сущность согласования состоит в том, что необходимо подобрать параллельные или последовательные сопротивления, подключаемые к выходу передатчика и входу приемника, таким образом, чтобы выходное сопротивление передатчика и входное сопротивление приемника стали равны волновому сопротивлению линии.

Рис.109. Согласование на входе и выходе линии.

На рис.109 показано согласование линии связи на входе и выходе. Определение величин резисторов R1 и R2 можно выполнить на основе схемы замещения рис.110.

На схеме замещения источник (передатчик) сигнала представлен в виде источника напряжения Uout с выходным сопротивлением Rout, а приемник сигнала представлен входным сопротивлением Rin. как рассматривали ранее в примере при Rout<резистор R1= - Rout и Rin>резистор R2=.

Рис.110. Схема замещения линии связи.

При согласовании на выходе линии и использовании в качестве приемника триггера Шмитта рекомендуется схема согласования, показанная на рис.111.

Особенность работы данной схемы состоит в том, что делитель напряжения R1-R2 на входе передатчика предварительно формирует уровень напряжения, определяемый значениями резисторов R1,R2.

Соотношение между резисторами нужно выбирать исходя из требуемого уровня напряжения, а их общее значение определяется из .

При на входе линии можно выполнять только параллельное согласование в соответствии со схемой замещения рис.112 а.

Учитывая, что внутреннее сопротивление источника напряжения равно нулю переходим к схеме замещения рис.112б, используя которую получаем выражение для определения величины резистора R1

.

При таком согласовании обычно напряжение на входе приемника, при высоком напряжении на выходе передатчика, меньше входного напряжения переключения логического элемента.

В этом случае линия работать не будет. Для получения работоспособной линии связи целесообразно в качестве передатчика использовать устройства с малым внутренним сопротивлением или специальные схемы. Рассмотрим использование микросхемы 155ЛП7, иностранный аналог - SN75450В, в качестве передатчика линии связи. В состав микросхемы входят два элемента 2И-НЕ с одним объединенным входом и два транзистора n-p-n проводимости средней мощности. Простейшие схемы применения 155ЛП7 показаны на рис.113.

Рис.113. Использование микросхемы 155ЛП7.

Как видно из рисунка один из вариантов представляет собой эмиттерный повторитель, одно из важнейших свойств которого - это малое значение выходного сопротивления. Для согласования с линией сопротивление в цепи эмиттера берется равным волновому сопротивлению линии Re=Zl. При этом схемотехническом решении в линии получаем сигнал инверсный входному.

Для получения неинвертированного сигнала в линии можно использовать другую схему рис.. В этом случае транзистор используется в качестве насыщенного ключа с коллекторной нагрузкой равной волновому сопротивлению линии Rk=Zl. При большом коэффициенте насыщения транзистора возможно запаздывание сигнала в линии.

Если в конце линии включено сопротивление нагрузки, равное волновому:

то, обращаясь к формулам (18-23), находим, что

(18-48)

т. е. отраженная волна не возникает Такую нагрузку называют согласованной нагрузкой или нагрузкой без отражения.

При этом, как следует из (18-47), коэффициент отражения

Из написанных выше соотношений с учетом (18-48) получим:

(18-49)

Отсюда следует:

(18-51)

т. е. для любой точки линии отношение комплексов равно волновому сопротивлению Поэтому режим работы генератора, питающего такую линию, не изменится, если в любом сечении линии ее разрезать и вместо отрезанной части линии включить волновое сопротивление. Режим работы оставшегося участка линии также не изменится.

Из соотношения (18-31) следует, что для согласованной линии входное сопротивление равно волновому

Полагая начальную фазу напряжения в конце линии равной нулю, т. е. запишем на основании (18-49) и (18-50) мгновенные значения напряжения и тока в любой точке линии:

Полученные соотношения изображены на рис. 18-9. Точки пересечения оси абсцисс с кривыми напряжения и тока сдвинуты на расстояние причем согласно сказанному в § 18-5 величина g отрицательна. Поэтому, применяя термины, справедливые, строго говоря, только для синусоидальных величин, можно сказать, что ток опережает по фазе напряжение на угол Напряжение и ток в различных точках линии различаются не только по амплитуде, но и по фазе.

Мощность, проходящая через какое-нибудь сечение линии,

(18-53)

Эта мощность уменьшается по мере удаления от начала, так как на каждом элементе длины линии поглощается мощность

равная сумме потерь в сопротивлении проводов и в проводимости изоляции на элементе линии Равенство средней и правой частей соотношения (18-54) можно показать после преобразований. Для этого следует в средней его части заменить их значениями из равенств (18-49), (18-50), (18-27), (18-10) и (18-11), выразив предварительно через по известной формуле

Мощность, передаваемая по согласованной линии, называется естественной или натуральной мощностью. Режим передачи естественной мощности может иметь место в линиях, если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению Средние значения естественной мощности для линий 500, 400, 220, 110 и 35 кВ соответственно равны 3 МВт. Отсюда видно, как сильно увеличивается естественная передаваемая мощность с увеличением напряжения линии.

Мощность, получаемая линией,

Идеально согласованный узел. Считаем, что плечо узла идеально согласовано, если т. е. отсутствует отражение от узла в данном плече. Если идеально согласованы все плечи, то считаем, что узел в целом идеально согласован. Эти определения аналогичны понятию об идеально согласованной линии, введенном в 8.9, и относятся к согласованию на минимум отражения. Другой критерий согласования - на максимум выходной активной мощности за редкими исключениями сводится к первому.

Задача согласования линий и узлов формулируется следующим образом. Пусть имеется линия и нагрузка (которая может быть одним из плеч узла либо источником мощности). Сопротивление нагрузки в общем случае комплексно, меняется с частотой и не равно характеристическому сопротивлению линии, поэтому (рис. 14.5а).

Характеристическое сопротивление линии практически активно, возможные изменения его с частотой отнесем условно к нагрузке; нормированные сопротивления поэтому Необходимо рассчитать согласующее

устройство, включаемое между линией и нагрузкой, таким образом, чтобы в рабочей полосе частот -модуль коэффициента отражения на входе согласующего устройства не превышал допустимого значения: Здесь и нижняя и верхняя частоты полосы согласования.

Предположим, что потери в согласующем устройстве пренебрежимо малы. Для удобства рассмотрения разобьем его на две части: узел компенсации, преобразующий комплексную нагрузку в активную практически независящую от частоты; и переход, трансформирующий сопротивление в равное характеристическому сопротивлению линии (рис. 14.56). Существуют принципиальные физические ограничения возможности идеальной реализации каждого из этих преобразований в полосе частот.

Если коэффициент отражения от перехода, а от узла компенсации (оба коэффициента приведены к одному сечению), то отражение от согласующего устройства если оба слагаемых малы. Так как фазы указанных коэффициентов меняются независимо, заданная норма на коэффициент отражения распределяется обычно между двумя узлами:

Узел компенсации представляет собой соединение реактивностей, которые на высоких радиочастотах реализуются с помощью отрезков линий, реактивных элементов типа штырей, диафрагм и т. п. Однако схема с идеальной широкополосной компенсацией невозможна. Например, если нагрузка представляет собой параллельное соединение (активное на нулевой частоте), простейшая схема узла компенсации - параллельно включенная индуктивность создает параллельный резонансный контур, имеющий чисто активное сопротивление на одной частоте в середине рабочей полосы. Дополнительные реактивные элементы создают сложную резонансную систему с более широкой полосой частот, но худшим согласованием в пределах этой полосы. Теоретически доказано , что при любой схеме узла компенсации не может быть нарушено неравенство:

где зависит от характера нагрузки. Например, для шунта и для последовательной цепочки, для резонатора

Из ф-лы (14.32) вытекает, что коэффициент отражения не может быть равен нулю в какой-либо конечной полосе частот, так как тогда интеграл обращается в бесконечность. В оптимальном случае в рабочей полосе частот, и вне этой полосы (рис. 14.6). Тогда

В узкой полосе частот коэффициент отражения можно сделать меньшим, чем в широкой. Широкополосные согласующие цепи неизбежно обладают свойствами частотного фильтра. Не следует стремиться к тому, чтобы на одной или нескольких частотах Это существенно увеличивает на других частотах в рабочей полосе.

Практически нецелесообразны сложные схемы узлов компенсации, содержащие более пяти элементов.

Кроме того, неизбежны определенные изменения в рабочей полосе частот. Считая, что в этой полосе и не отклоняется существенно от указанного значения, можно определить по ф-ле (14.33), заменив ее правую часть на

Схемы узлов компенсации многообразны и выбираются в соответствии с характером нагрузки, полосой частот и конкретными особенностями работы.

Переход (трансформатор сопротивлений) представляет собой участок неоднородной линии передачи, характеристическое сопротивление которой меняется по длине от до плавно, либо скачками. Принцип работы всех согласующих переходов один и тот же. От несогласованной нагрузки возникает отраженная волна. Элементы согласующего устройства создают дополнительные отраженные волны, которые компенсируют первоначальную.

Переход конечной длины трансформирует сопротивления лишь приближенно (даже если сопротивления на его концах неизменны). Задачей расчета является отыскание оптимальных переходов наименьшей длины, обеспечивающих коэффициент отражения в заданной полосе частот при известном перепаде сопротивлений Если длина перехода ограничена, то для существует некоторый минимальный предел.

На сравнительно низких частотах согласование осуществляется также электрическими цепями с сосредоточенными параметрами: мостовыми, -образными четырехполюсниками, трансформаторами с индуктивной связью (см. теорию линейных электрических цепей). Заметим, что для них также существуют физические ограничения, препятствующие идеальному преобразованию сопротивлений в полосе частот.

УЗКОПОЛОСНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ

В узкополосном согласующем устройстве, как правило, сочетаются компенсация реактивности нагрузки и трансформация сопротивлений. Если согласовать линию с нагрузкой на одной лишь частоте, то обычно в полосе частот не менее 1-2% коэффициент отражения от согласующего устройства будет незначителен. Такое согласование достигается наиболее простыми средствами и в ряде

случаев удовлетворяет практическим потребностям. Рассмотрим несколько простейших способов согласования комплексных сопротивлений.

Согласование реактивным шлейфом. Шлейф - короткозамкнутый или разомкнутый на конце отрезок линии, подключаемый параллельно основной линии с заданной нагрузкой (рис. 14.7), в том сечении В, где ее нормированная проводимость имеет единичную активную составляющую. Входная проводимость реактивного шлейфа, нормированная по компенсирует реактивную проводимость в линии. Поэтому суммарная проводимость в сечении что

Рис. 14.8 (см. скан)

соответствует идеальному согласованию на расчетной частоте (расстояние между сечениями ничтожно мало). Этот способ разработан В. В. Татариновым в 1929 г. Расчет согласования по методу Татаринова рассмотрим на следующем примере.

Пример. Линия с ? нагружена на сопротивление Ом, частоте Рассчитать согласующий короткозамкнутый шлейф с длиной не более Определить коэффициент отражения от устройства а частоте

Для решения воспользуемся круговой диаграммой сопротивления и проводимостей, изображенной на рис. 14.8. Нормированное сопротивление нагрузки (точка Перейдем к нормированным проводимостям, для чего отыщем центрально-симметричную точку Движение плоскости отсчета вдоль линии без потерь как известно, соответствует перемещению точки на диаграмме до кругу. Так как шлейф имеет и замкнут на конце, его входная проводимость индуктивна. Проводимость линии сечении В должна иметь емкостный характер, поэтому минуя на диаграмме точку В, остановимся в точке ,По кольцевой шкале определим Нормированную проводимость шлейфа отнесем к его характеристической проводимости: Отметив на диаграмме точки найдем Присоединив шлейф в сечении В, получим т. е. придем в центр диаграммы.

При росте частоты на на столько же увеличивается электрическая длина отрезков линий: Выполнив на круговой диаграмме аналогичные построения (точки получим на входе устройства что соответствует Итак, согласование с достигается всего в -процентной полосе частот.

Полоса частот увеличивается с уменьшением электрической длины отрезков Поэтому их стремятся сделать как можно более короткими.

На двухпроводных антенных фидерах легко осуществить конструкцию шлейфа, перемещающегося вдоль линии. Для коаксиальных линий и волноводов такой способ согласования трудно реализовать. По этому принципу выполняются лишь нерегулируемые согласующие устройства (например, диафрагмы на рис. 14.18).

Согласование тремя неподвижными реактивностями. Для коаксиальных линий используются неподвижные короткозамкнутые шлейфы, в волноводной технике - емкостные штыри или диафрагмы. Покажем, что тремя реактивностями произвольной величины, но одного знака, расположенными в фиксированных точках линии с интервалом можно согласовать линию при произвольных значениях нагрузки.

Пусть согласование осуществляется емкостными штырями (рис. 14.9а). Приведем проводимость нагрузки к сечению А, где находится первый штырь. Нормированная проводимость в этом случае будет представлена произвольной точкой А «ли А на диаграмме рис. 14.96. Разделим плоскость диаграммы на две части криволинейной границей, состоящей из полуокружности ,и центрально симметричной к лей полуокружности в верхней части диаграммы. Пусть точка А находится слева от этой границы. Тогда емкостным штырем А с положительной реактивной проводимостью можно увеличить мнимую часть проводимости, т. е. перейти от точки А к точке лежащей на

границе. Переход в сечеиие В эквивалентен повороту на в плоскости диаграммы. Точка В также находится на границе, а проводимость Вводя емкостной штырь, легко свести проводимость к значению и перейти тем самым в центр диаграммы. Таким образом, согласование достигнуто штырями а штырь С должен быть выведен из волновода.

В другом случае проводимость в сечении А соответствует точке А справа от границы, тогда штырь А не вводится. Точка В для сечения В находится слева от границы и согласование производится штырями аналогично предыдущему.

Рис. 14.9 (см. скан)

Итак, согласование всегда возможно. Если фаза проводимости нагрузки меняется в ограниченных пределах (точка А всегда слева от границы), для согласования достаточно двух штырей. Если ограничена возможная величина то проводимость настраивающих штырей также ограничена; иапример, при достаточно, чтобы

Четвертьволновый трансформатор (рис. 14.10а) представляет собой отрезок линии передачи длиной с иным

характеристичёским сопротивлением чем у основного тракта (индекс с для характеристических сопротивлений здесь и далее опускаем). Он включается в линию последовательно и предназначен для согласования только активных сопротивлений. Поэтому, если нагрузка является комплексной, между ней и трансформатором включают дополнительный отрезок линии такой длины чтобы его входное сопротивление было чисто активным По круговой диаграмме легко установить величины

Рис. 14.10 (см. скан)

Перейдем к определению характеристического сопротивления трансформатора Нормированное по сопротивление в сечении Нормированное входное сопротивление четвертьволнового отрезка линии без потерь равно обратной величине нормированного сопротивления ее нагрузки [это легко установить из круговой диаграммы или ф-лы (8.57) при поэтому в сечении Для согласования тракта необходимо, чтобы Отсюда следует, что или

Характеристическое сопротивление трансформатора должно быть равно среднему геометрическому от сопротивлений на его концах.