¿Qué y por qué de terminación?

Soy nuevo en electrónica y no entiendo qué es la terminación y por qué es necesaria, especialmente en comunicaciones digitales.

Gracias

Puede ser, una explicación más mecánica ayuda a entender:

Imagine que tiene una cuerda larga, un extremo fijado a una pared y el otro extremo sujeto por usted. Con un golpe corto hacia arriba, puede crear una ola que viaja a lo largo de la cuerda:

(de http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physing1/node52.html )

Ahora, ¿por qué es así? Imagina que la cuerda consiste en muchas piezas pequeñas, cada una aplica una fuerza a la siguiente y así encuentra una fuerza sobre sí misma de sus vecinos. Concentrémonos en las fuerzas verticales y digamos que la fuerza depende linealmente de la distancia vertical entre las piezas. Aquí hay una gráfica que muestra las fuerzas de los vecinos y la suma de esas fuerzas (es decir, dirección y fuerza de aceleración). La ola debe moverse de izquierda a derecha:

Como puede ver, la pieza no 15 encuentra una fuerza hacia arriba y, por lo tanto, se acelera hacia arriba. Pieza no. 14 encuentra la misma fuerza hacia abajo, más una mayor fuerza hacia arriba desde la pieza no 13 y así sucesivamente.

Finalmente, las piezas en el borde posterior (5, 6, 7) se mueven hacia abajo, pero se aceleran hacia arriba, hasta que descansan.

¿Qué pasa en la pared?

La pieza 13 no puede moverse, y debido a la gran distancia vertical a la partícula no 12, no 12 encuentra una fuerza descendente muy fuerte. Se golpea hacia abajo, y finalmente, obtienes una ola volteada horizontalmente hacia atrás.

¿Qué pasa si la cuerda no está fija en absoluto?

Imagen de la cuerda se corta entre la pieza 12 y 13. Para la última figura, esto significa que no 12 encuentra la fuerza hacia arriba solamente. Finalmente, se elevará más alto que el máximo de la ola como la punta de un látigo, y generará una nueva ola , no volteada, que retrocederá la cuerda.

¿Qué pasa si tu amigo tiene el segundo final?

Bueno, por lo general, la ola es absorbida por tu amigo, como si la cuerda continuara detrás de él. Esto se debe a que no sostiene el extremo tan fijo como la pared, pero tampoco está tan suelto como si no hubiera nada.

Tenga en cuenta que la velocidad de la ola depende de su peso y de la tensión. Esto se debe a que la tensión es el origen de las fuerzas descritas aquí.

¿Qué tiene que ver con la electrónica?

Finalmente, la propagación de la señal es similar a la propagación de la onda en la cuerda. Si acorta el final de la línea de señal a GND, lo mantiene en un potencial fijo, como la pared, y el borde de una señal se reflejará con diferentes signos de amplitud. Si el final no está conectado a nada, los bordes de la señal se reflejarán con el mismo signo de amplitud. Puede evitar el reflejo conectando la señal a GND a través de una resistencia, como su amigo. Está claro que una resistencia demasiado alta es como una línea de señal abierta, y una resistencia demasiado baja es como un corto a GND, por lo que debe hacer coincidir la resistencia con el valor exacto donde solo absorbe la señal.

Finalmente, sal y prueba estas cosas con la cuerda. Puede ser, puede pedirle a su amigo que sostenga la cuerda más apretada o suelta como de costumbre, pero, naturalmente, las personas tienden a igualar la ... impedancia de la cuerda bastante bien.

EDITAR:

Lo busqué ayer, pero no lo encontré. Aquí hay imágenes de alcance de un alcance conectado directamente a un generador de pulso más un cable largo, robado de https://hohlerde.org/rauch/elektronik/kleines/kabelradar/index.de.html :

Cortocircuito al final del cable, obtienes un reflejo invertido:

Para un cable abierto, obtienes una reflexión vertical:

Con la terminación correcta, no hay reflejo. Sin embargo, la terminación es un poco demasiado fuerte, ya que todavía se ve un poco hacia abajo.

Por cierto, el reflejo llega después de aproximadamente 20ns, por lo que 10ns por dirección. A una velocidad del 75% de la luz, esto se traduce en una longitud de cable de aproximadamente 2,2 m.

EDIT2:

Me divertí mucho escribiendo una simulación. Como se indicó anteriormente, la cuerda se divide en varias piezas y la fuerza vertical sobre cada pieza se determina desde su distancia vertical hasta sus vecinos directos. Aquí está:

Esto es lo que finalmente me ayudó a comprender la terminación y las reflexiones: supongamos que tiene un cable coaxial muy, muy largo, con el extremo lejano en corto. Si pones corriente a través de él, ¿cuál será el voltaje?

Debido a que el cable está en corto en el extremo lejano, esperaría que el voltaje permanezca cerca de 0. Pero, el extremo lejano está muy lejos: si el voltaje fuera inmediatamente 0 voltios, ¡nos estaríamos comunicando más rápido que la luz! En cambio, la señal tiene que propagarse por el cable al corto, luego volver al extremo cercano nuevamente, antes de que veamos el corto en nuestro extremo. Esto es lo que es un reflejo.

¿Cómo se ve la señal en el tiempo antes de que llegue el reflejo? Bueno, el cable tiene una resistencia distinta de cero y una capacitancia distinta de cero, eléctricamente, es como una larga secuencia de inductores en serie y condensadores de derivación, y eso hará que se cargue desde nuestra fuente de corriente a medida que la señal se propaga. Eléctricamente, esto parece una resistencia, esto se llama impedancia característica. Una pieza infinitamente larga de cable coaxial de 50 ohmios se vería exactamente como una resistencia de 50 ohmios, eléctricamente. Una más corta parece una resistencia de 50 ohmios durante el período en que la señal se propaga por el cable.

En nuestro escenario imaginario, entonces, aplicando corriente a un cable largo con un corto al final, la forma de onda de voltaje se verá como un pico corto (con voltaje igual a la corriente * característica_impedancia) seguido de un retorno a (cerca) 0 voltios. Si el otro extremo del cable fuera un circuito abierto, se vería como un pico corto seguido de un voltaje más alto (determinado por el voltaje máximo de nuestra fuente de corriente).

Supongamos que no queremos reflexiones. Si terminamos el coaxial con una resistencia que tiene el mismo valor que la impedancia característica del cable, ¡estamos ordenados! El coaxial se ve como una resistencia de 50 ohmios mientras la señal se propaga, y todavía se ve como una resistencia de 50 ohmios una vez que la propagación ha finalizado, porque conectamos uno a través de ella en el extremo más alejado. Esta es la terminación.

La terminación es necesaria cuando trabaja con líneas de transmisión y (relativamente) señales de alta frecuencia. Las señales que viajan por las líneas de transmisión en realidad viajan como una onda electromagnética, y esta onda puede reflejarse por cualquier discontinuidad en la línea debido a cambios en la impedancia. Este efecto exacto es lo que hace que la luz se refleje en una piscina de agua o en un trozo de vidrio. La terminación se refiere a agregar una resistencia al final de una línea de transmisión para absorber la señal que viaja por la línea y evitar reflejos. La resistencia de terminación debe coincidir con la impedancia de la línea para no crear una discontinuidad y las reflexiones resultantes.

Esto es extremadamente importante en los sistemas digitales de alta velocidad ya que estas reflexiones pueden causar interferencias entre símbolos que resultan en errores de bits. Por cierto, Intel se topó con este problema a medida que aumentaban la velocidad de sus CPU. Se vieron obligados a contratar a un gran número de ingenieros de RF para rediseñar sus placas base para que funcionen correctamente a altas velocidades.

Para la mayoría de las aplicaciones de RF, las líneas de transmisión generalmente terminan con una resistencia a tierra. Sin embargo, en aplicaciones digitales, a veces es beneficioso terminar la línea de diferentes maneras. Para algunos buses, se usa un voltaje de terminación de 1/2 Vcc para que las fuerzas de accionamiento requeridas tanto para el pull-up como para el pull-down sean simétricas, lo que resulta en un mejor rendimiento. Esto es común para los buses de memoria de alta velocidad, incluidos DDR2 y DDR3. Para líneas diferenciales, un estilo de terminación común es una resistencia que conecta directamente los dos conductores en lugar de las resistencias individuales a tierra.

Las señales de CA que viajan a lo largo de un cable se reflejan en sus extremos. Esta señal reflejada se mezcla con la señal "real" y causa interferencia. La terminación generalmente significa poner una resistencia al final; Esto hace que el extremo de la línea se comporte como una longitud infinita de cable (sin final, por lo que no hay reflexión).

El valor de la resistencia depende de la impedancia de la línea . Es por eso que hay un valor de resistencia de terminación específico que debe usarse para un tipo específico de línea o bus.