5.1.2. Электрически длинные линии передачи.

Хотя параметры линии являются распределенными вдоль ее длины, при моделировании линии их аппроксимируют сосредоточенными на малом элементе (фрагменте) линии (рис. 5.6), где - погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость. Сопротивление и индуктивность линии вводятся только в прямой провод, но с учетом сопротивления и индуктивности обратного.

Рис. 5.6. Эквивалентная схема электрически длинной линии передачи.

Важнейшей характеристикой электрически длинной линии передачи является ее волновое сопротивление или импеданс Z₀, которое показывает, что электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль линии, имеет отношение напряжение/ток, равное Z₀. Приближенно волновое сопротивление можно определить по Z₀  . При передаче сигналов высокой частоты или коротких импульсов важно согласовать сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением линии.

Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче гармонических сигналов в несогласованной линии одновременно присутствует прямая волна, распространяющаяся от начала линии к ее концу, и обратная, передающаяся от конца линии к ее началу. Обратную волну рассматривают как результат отражения прямой и называют отраженной, а прямую – падающей волной.

Отношение амплитуды напряжения отраженной волны U₀ к амплитуде волны падающей определяется выражением

где - коэффициент отражения; - сопротивление в начале или конце ЛП.

Определим характер изменения напряжения на входе и выходе линии при поступлении на ее вход импульсного сигнала для случая, когда длительность передаваемого импульса << . Если сопротивление в начале и конце линии соответственно и и соблюдается отношение < < , то коэффициенты отражений на входе и выходе линии будут 0> >-1 и 0< <1.

Характер прохождения импульсного сигнала по несогласованной линии приведен на рис. 5.7. Сигналы на графиках соответствуют моментам их поступления на вход и выход линии передачи. Следует обратить внимание на изменение полярности отражаемых сигналов. Таким образом, на вход линии поступил один импульс, а на входе, нагруженной на линию микросхемы, с периодом 2 оказывается несколько импульсов, от некоторых из которых микросхема может менять свое состояние до тех пор, пока очередной входной импульс не окажется меньше ее порога срабатывания.

Рис. 5.7. Эквивалентная схема линии передачи и сигналы на входе и выходе линии при многократных отражениях.

Согласование электрически длинных линий передач. Уменьшение или полное исключение отражений в длинных линиях можно добиться их согласованием. Линия передачи считается согласованной, если сопротивление, на которое она нагружена, равно волновому сопротивлению линии (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Способы согласования электрически длинных линий передач.

Согласование обеспечивается применением ЛП с высокой стабильностью волнового сопротивления и введением согласующих элементов. Подключение согласующего резистора последовательно (рис. 5.8а) с выходным сопротивлением передатчика сигнала (последовательное согласование) используется, если выходное сопротивление его много меньше линии.

В параллельно согласованной линии (рис. 5.8б) резистор подсоединяется к входу приемника линии передачи. Способ согласования используется, если входное сопротивление приемника сигнала во много больше линии. Поскольку падение напряжения на резисторах понижает уровни передаваемого сигнала, режимы последовательного и параллельного согласования применяются, когда число нагружаемых на линию передачи элементов не превышает двух. При большем количестве нагрузок на линии для согласования используются эмиттерные повторители (рис. 5.8в). При этом база и коллектор транзистора эмиттерного повторителя должны коммутироваться проводниками минимальной длины.

При конструировании цифровой аппаратуры входы триггеров, одновибраторов, регистров не рекомендуется подключать непосредственно к длинным линиям. Отсутствие буферных каскадов из-за значительной емкостной нагрузки и наличия отражений приведет к неустойчивой работе аппаратуры. В качестве буферного каскада в ТТЛ микросхемах используется триггер Шмитта (рис. 5.8г,д). В схеме согласования коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (рис. 5.8д) кабель на выходе нагружен на сопротивление 51 Ом.

В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных линий используются микрополосковые и полосковые печатные проводники, свитая пара, плоский кабель, коаксиальный кабель.

При согласовании свитой пары (рис. 5.9) низкоомным согласующим резистором = передающий элемент линии должен формировать значительный входной ток, который обеспечивается только работающими на линию формирователями. Для восстановления фронтов импульса в качестве приемного элемента используется триггер Шмитта. Восприимчивость к внешним помехам является недостатком схемы, приведенной на рис. 5.9а. При формировании разнополярного сигнала на обоих проводах свитой пары (рис. 5.9б) этот недостаток устраняется.

Рис. 5.9. Согласование свитой пары несимметричным (а) и симметричным (б) способом.

Влияние поверхностного эффекта. Высокочастотный переменный или импульсный ток неравномерно распределяется по сечению проводника, имея наибольшую плотность у его поверхности, что является результатом проявления поверхностного эффекта. Поверхностный эффект увеличивает сопротивление проводника переменному току. При высоких частотах и быстродействии влияние поверхностного эффекта сказывается на искажении фронта и формы импульса, так как разные частоты затухают в материале проводника неодинаково.

Для ослабления влияния поверхностного эффекта используют провод, свитый из большого числа изолированных друг от друга жил, скрученных так, чтобы каждая последовательно занимала все положения в сечении вдоль провода.

Ослабление перекрестных помех в длинных линиях. Для устранения перекрестных помех линии передачи экранируют. Применение ЛП с экранирующей металлической оболочкой, соединенной с корпусом прибора, является эффективным способом ее защиты от воздействий электрического и электромагнитного полей.

На рис. 5.10 представлены две рядом расположенные ЛП с экранами, между которыми имеет место емкостная связь, представляющая собой, если не учитывать емкости оплетки на землю, последовательно соединенные емкости и . Из рисунка видно, что отсутствие заземления экранов ЛП не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Заземление экранов приводит к разрыву паразитной емкостной связи.

Рис. 5.10. Электрическое экранирование линий передач: 1 - центральный провод; 2 - оплетка (экран); - емкость провод - экран первой и второй линий передач; - емкость между оплетками (экранами).

Таким образом, защита от воздействий электрического поля сводится к использованию ЛП с экранами, которые должны заземляться коротким проводом минимального индуктивного сопротивления, либо путем непосредственного контакта экрана с корпусом прибора. Если ток, протекающий по центральному проводу линии передачи, равен обратному току через его оплетку, то в пространстве, окружающем линию передачи, электромагнитное поле отсутствует.