¿Cuál es la importancia de la terminación de la impedancia de la fuente?

Dado un circuito como este:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Cuál es la importancia de R1? Uno puede adivinar que es hacer que la impedancia de salida de BUF1 sea igual a la impedancia de la línea de transmisión, pero ¿por qué es esto importante? ¿Qué sucede si se omite R1? ¿Cómo afecta lo que hay en el otro extremo? Tal vez es una carga coincidente, abierta o corta. Tal vez es una línea de transmisión con discontinuidades.

La idea es que las señales se propaguen a una velocidad finita, es decir, cierta señal tarda ten llegar de un extremo de la línea de transmisión a la otra. El cable también tiene cierta capacitancia / inductancia intrínseca por unidad de longitud, que se puede aproximar con una impedancia característica (suponiendo sin pérdidas):

Esta es la impedancia experimentada inicialmente por la fuente cuando la señal cambia, con el nivel de señal actuando como un circuito divisor de voltaje entre R1 y Z0:

Cuando la señal se propague al final del cable, se dará cuenta de que no hay nada en lo que volcar la energía de la señal. La señal debe ir a algún lado, por lo que rebota en el otro extremo y vuelve a la fuente. Cuando llega a la fuente, el voltaje de la fuente será dos veces el $V_s$ original , que fluirá de regreso a través de R1 a la fuente.

Si $R_1$ = $Z_0$ , $V_S = V_{in}$ y toda la línea de transmisión ha alcanzado el estado estacionario porque no se puede inyectar o absorber más energía en la línea. Esto es ideal porque la línea ha alcanzado el estado estable en ~2t(una t para llegar al objetivo y una t para volver a la fuente).

Si $R_1$ es demasiado grande, $V_S$ seguirá siendo mayor que $V_{in}$ por lo que la fuente continuará volcando energía en la línea de transmisión, y el voltaje de la línea de transmisión aumentará lentamente a medida que la señal rebota hacia adelante y hacia atrás.

Si $R_1$ es demasiado pequeño, $V_S$ se sobrepasará cuando vuelva la señal. En este caso, una onda de borde descendente se propagará por la línea porque la fuente está tratando de absorber el exceso de energía bombeada en la línea, y nuevamente el voltaje rebotará hacia adelante y hacia atrás hasta alcanzar el estado estable.

En los últimos 2 casos, el voltaje objetivo podría rebotar por encima / debajo de un cierto nivel de lógica digital varias veces para que el receptor pudiera obtener bits de datos falsos como resultado. Esto también podría ser potencialmente dañino para la fuente porque la señal reflejada puede aumentar induciendo un estrés excesivo en la fuente.

Ahora, ¿qué ocurre si le damos algo al otro lado, como una resistencia $R_2$ ?

$R_2 = Z_0$

$R_2$ es demasiado pequeño / demasiado grande, terminaremos con señales de reflexión similares a las anteriores, excepto que la señal está invertida.

$R_1 = Z_0$$R_2 = Z_0$$R_1 = R_2 = Z_0$

Escribí un simulador de línea de transmisión en línea para jugar con el que demuestra la terminación de la fuente. Lo encontré útil para visualizar estas ondas de propagación de señales a lo largo de la línea de transmisión. Elija un R2 lo suficientemente grande y puede aproximar un abierto, como el caso que tiene. Esto solo modela líneas de transmisión sin pérdidas, pero generalmente es lo suficientemente preciso.

En términos de integridad de la señal (medida por la respuesta escalonada en el lado del receptor) las tres configuraciones son idénticas (Zsource - Zload):

1) 50 Ohm - infinito (terminación de fuente)
2) 0 Ohm - 50 Ohm (terminación de carga)
3) 50 Ohm - 50 Ohm (terminación en ambos extremos)

Sin embargo, en la tercera variante hay una disminución del 50% en la amplitud. Por lo tanto, desde el punto de vista práctico, la tercera opción debe evitarse a menos que haya una razón convincente para hacerlo.

Descargo de responsabilidad: esto cubre la comunicación de un solo cable punto a punto ideal del cable de una dirección entre la fuente del receptor. Si hay un cruce en el camino, entonces puede tener sentido usar la terminación dual, no lo pensé.

Ok, aquí está la descripción larga pero demasiado generalizada de lo que está sucediendo ...

La impedancia de la línea de transmisión (también conocida como traza) es de 50 ohmios, lo que significa que a medida que la señal viaja por el cable, parece una carga de 50 ohmios para el conductor. Cuando llega al final de la traza, se refleja hacia atrás y hace que partes de la traza alcancen temporalmente un voltaje mucho mayor / menor de lo que debería. A esto lo llamamos sobreimpulso y subimpulso.

Con la resistencia de fuente de 50 ohmios, la resistencia más la traza de 50 ohmios forma un divisor de voltaje (div por 2). Justo antes de que la señal llegue al final, la señal en esa ubicación es el 50% de la amplitud necesaria. Justo después de que la señal llega al final, la reflexión se combina con la señal original del 50% y da como resultado una señal de amplitud perfecta del 100%. La reflexión viaja de regreso a la resistencia fuente donde es absorbida.

Un receptor ubicado al final de la traza verá un borde de señal mayormente perfecto. Pero un receptor en el medio o cerca de la resistencia verá primero una señal del 50% y luego una señal del 100%. Debido a esto, la terminación de la fuente solo se usa cuando hay un solo receptor y ese receptor debe ubicarse al final de la traza.

Si la resistencia no coincide con la impedancia del cable / traza / cable, entonces el divisor de voltaje no es del 50%, lo que resulta en una coincidencia imperfecta y la reflexión podría causar problemas.

R1 no es importante siempre que la línea de transmisión esté terminada correctamente. Conduzco líneas como esta mucho y obtengo una recepción decente en el extremo de la línea de transmisión, pero debe terminarse correctamente.