ทำไมกฎหมายวงจรพื้นฐานสลายที่ AC ความถี่สูง


44

เราเพิ่งเริ่มต้นฉาก RF ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับ DC และ AC ความถี่ต่ำสำหรับหลักสูตรก่อนหน้านี้ทั้งหมดของเรา

ฉันเข้าใจว่าที่ความถี่สูง AC กฎหมายวงจรพื้นฐานไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไปและต้องมีการเปลี่ยนแปลงโมเดลส่วนประกอบแบบพาสซีฟคลาสสิก ข้ออ้างสำหรับสิ่งนี้คือที่การส่งสัญญาณความถี่สูง AC ความยาวคลื่นจะเล็กลงและบางครั้งอาจเล็กกว่าการเดินสายบน PCB เป็นต้น

ฉันเข้าใจว่านี่เป็นปัญหาเมื่อส่งสัญญาณผ่านพื้นที่ว่างที่มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เหตุใดปัญหานี้จึงเกิดขึ้นกับสายไฟจริงและ PCB ที่ถูกขับเคลื่อนโดยแหล่ง AC ฉันหมายความว่ามันเป็นการเชื่อมต่อโดยตรงเราไม่ได้ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการแพร่กระจายผ่านพื้นที่ว่างและความยาวคลื่นและสิ่งต่าง ๆ ไม่ควรใช่มั้ย


10
ที่ DC ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคตินั้นสั้นและตัวเก็บประจุในอุดมคติจะเปิด ในขีด จำกัด "จาก DC ถึงกลางวัน" ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติคือแบบเปิดและตัวเก็บประจุในอุดมคตินั้นสั้น หากคุณเปิดออสซิลโลสโคปของ Tektronix ที่ออกแบบมาสำหรับขีด จำกัด สูงสุดของประสิทธิภาพ GHz คุณจะสามารถเห็นเส้นทางนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากชุดของการสตริปแบบ capacitive และบล็อกแบบนำไฟฟ้าที่เกิดจากร่องรอยที่เรียบง่าย
จอน

9
คลื่นใช้เวลาในการไปยังปลายอีกด้านคุณไม่คิดเหรอ? หากคุณมีสายยาวปีแสงและคุณเชื่อมต่อแบตเตอรี่กับปลายด้านหนึ่งอย่างน้อยหนึ่งปีก่อนที่แบตเตอรี่จะรู้ตัวว่าไม่มีอะไรเชื่อมต่อกับปลายอีกด้านหนึ่ง และในเวลานั้นแบตเตอรีของคุณจะถูกปล่อยออกสู่วงจรที่ดูเหมือนเปิดอยู่
253751

3
@EricDuminil พวกเขายังทำตัวเหมือนที่คุณสร้าง
253751

4
@ กลไก: นี่คือวิธีที่ฉันมักจะวัดความต้านทานของสายโคแอกเซียลที่ยาวเหยียดของฉัน
PlasmaHH

2
"เราไม่ได้ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการแพร่กระจายผ่านพื้นที่ว่าง" เป็นความผิดพลาดทางเทคนิค - แม้ว่าคุณจะไม่ต้องการใช้มันในแบบนั้นถ้าคุณมีสายไฟและ AC ความถี่สูงการแพร่กระจายผ่านพื้นที่ว่างนั้นเกิดขึ้นหรือไม่ คุณต้องการหรือไม่
Peteris

คำตอบ:


97

ที่จริงมันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับคลื่น แม้ว่าจะจัดการกับ DC แต่ก็มีการจัดการโดยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กและคลื่น

"กฎหมายพื้นฐาน" ไม่ได้ถูกทำลาย กฎที่คุณได้เรียนรู้คือความเรียบง่ายที่ให้คำตอบที่ถูกต้องภายใต้เงื่อนไขบางประการ - คุณยังไม่ได้เรียนรู้กฎหมายพื้นฐาน คุณกำลังจะเรียนรู้กฎหมายพื้นฐานหลังจากใช้งาน simplifcations

เงื่อนไขที่สันนิษฐานบางส่วนสำหรับกฎที่ลดความซับซ้อนคือวงจรมีขนาดเล็กกว่าความยาวของสัญญาณที่เกี่ยวข้อง ในเงื่อนไขเหล่านั้นคุณสามารถสันนิษฐานได้ว่าสัญญาณอยู่ในสถานะเดียวกันทั่วทั้งวงจร สิ่งนี้นำไปสู่ความเรียบง่ายจำนวนมากในสมการที่อธิบายวงจร

เมื่อความถี่สูงขึ้น (หรือวงจรมีขนาดใหญ่ขึ้น) เพื่อให้วงจรเป็นส่วนที่เห็นได้ของความยาวคลื่นการสันนิษฐานดังกล่าวไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป

ผลกระทบของความยาวคลื่นที่มีต่อการทำงานของวงจรไฟฟ้าก่อนเห็นได้ชัดที่ความถี่ต่ำ แต่มีวงจรโทรเลขขนาดใหญ่มาก -

เมื่อคุณเริ่มทำงานกับ RF คุณถึงความยาวคลื่นเช่นขนาดของวงจรที่อยู่บนโต๊ะทำงานของคุณเป็นส่วนที่เห็นได้ชัดเจนของความยาวคลื่นของสัญญาณที่ใช้

ดังนั้นคุณต้องเริ่มใส่ใจกับสิ่งต่าง ๆ ที่คุณอาจไม่สนใจมาก่อน

กฎและสมการที่คุณกำลังเรียนรู้จะนำไปใช้กับวงจรความถี่ที่เรียบง่ายขึ้นและความถี่ต่ำกว่า คุณสามารถใช้สิ่งใหม่เพื่อแก้วงจรที่ง่ายกว่า - คุณต้องมีข้อมูลมากขึ้นและแก้สมการที่ซับซ้อนมากขึ้น


ผลกระทบที่เป็นกาฝากของวัสดุที่ไม่สมบูรณ์ซึ่งมีอยู่เล็กน้อยที่ LF จะกัดวิศวกร HF
amI

53
วิทยาศาสตร์ระดับชั้นประถมยังกัดเรา: ความคิดที่ผิดว่าไฟฟ้าเป็นพลังงานที่แยกจากกันคืออิเล็กตรอน = พลังงานหรืออิเล็กตรอนนั้นเดินทางด้วยความเร็วแสงเหมือนนางดัดและบิลไนย์ อันที่จริงวงจรทั้งหมดเป็นท่อนำคลื่นพลังงานเดินทางออกไปข้างนอกเป็นสนามแม่เหล็กพลังงาน - วงจรคือคลื่นวิทยุเอลฟ์และอิเล็กตรอนกระดิกเพียงเล็กน้อยเมื่อคลื่นพลังงานแผ่กระจายไปทั่ววงจรของเรา เสาอากาศ Xmit ไม่เปลี่ยนกระแสไฟฟ้าเป็นสนามแม่เหล็ก EM แต่เป็นสนามแม่เหล็ก EM อยู่แล้ว "กระแสไฟฟ้า" คือโฟตอนตลอด: แม้กระทั่งวงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้คลื่นพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
wbeaty

ดังนั้นโดยพื้นฐานเราได้รับการสอนผิดวิธีตลอดเวลา
AlfroJang80

3
@ AlfroJango80: ไม่ย้อนกลับเลย คุณได้เรียนรู้การทำให้เข้าใจง่ายที่ใช้งานได้หลายอย่าง มันง่ายพอที่คุณจะสามารถทำงานกับมันได้ทันทีและแม่นยำเพียงพอที่จะเป็นประโยชน์
JRE

@wbeaty ในกระแสไฟฟ้ากระแสตรงอิเล็กตรอนเดินทางแม้ว่าจะมี << อย่างแน่นอน แต่คุณถูกต้องว่ามันยังคงเป็นคลื่นเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นที่ไม่ใช่ DC ดังนั้น FourierTransform ตลอดเวลาจึงมีส่วนประกอบความถี่
Carl Witthoft

26

กฎหมายพื้นฐานของ EM ที่มีสมการแมกซ์เวล : B = 0 × E = - 1

E=4πρ
B=0
×B=1
×E=1cBt
×B=1c(4πJ+Et)

พวกเขาเป็นกฎพื้นฐานของ EM เสมอ แต่ที่ความถี่ต่ำกว่าเราพบว่าการแก้สมการเชิงอนุพันธ์หลายมิตินั้นค่อนข้างยากและไม่ใช่ทั้งหมดที่มีประโยชน์ในการสนับสนุนความเข้าใจวงจรของเรา คุณไม่ต้องการเรียกสมมาตรเพื่อแก้สมการการแพร่กระจายอย่างถูกต้องหากความแตกต่างสุทธิระหว่างสาย 18ga สั้นกับเส้นลวด 0000 ยาว 0.0000001% ตามพฤติกรรมที่คุณสนใจ

ผู้คนได้รวมสมการเหล่านี้ไว้ในกรณีง่าย ๆ เช่นสายที่ความถี่ต่ำและพบสมการที่คุณได้รับในคลาสก่อนหน้า ทีนี้ยิ่งกว่านั้นเราพบสมการเหล่านี้ก่อนจากนั้นก็พบสมการของแมกซ์เวลล์เมื่อเราดันเข้าไปใน EM ลึกลงไปในที่สุดก็พบว่าสมการดั้งเดิมนั้นสอดคล้องกับของแมกซ์เวลล์

โดยส่วนตัวแล้วฉันคิดว่ามันเป็นการสำรวจที่ดีที่สุดด้วยตัวอย่าง ฉันต้องการยกตัวอย่างจากหนังสือชื่อดัง: The Art of High Speed ​​Digital Design (คำบรรยาย: Handbook of Black Magic) ในการแนะนำตัวพวกเขาชี้ให้เห็นว่าตัวเลือกประเภทตัวเก็บประจุมีความสำคัญอย่างไร พวกเขาอ้างว่าเป็นพิเศษว่าด้วยความเร็วสูงตัวเก็บประจุสามารถดูเหมือนตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากตัวนำของมันคือสายไฟสองเส้นที่ขนานกัน สายไฟแบบขนานมีการเหนี่ยวนำ

1ωCωL1ωC+ωL=ω2CL1ωCω2CL1

เช่นเดียวกันที่ความถี่สูงมันก็ยากที่จะเพิกเฉยต่อความจริงที่ว่าสายไฟปล่อยรังสี EM ที่ความถี่ต่ำเอฟเฟกต์นี้เล็กน้อย แต่ที่ความถี่สูงพลังงานจำนวนมากสามารถกระจายไปในลวดได้


Cort เมื่อคำตอบของ @ @ ได้รับการโหวตมากขึ้นฉันจะลงคะแนนนี้
robert bristow-johnson

26

เนื่องจากข้อสันนิษฐานที่กำหนดโดยแบบจำลององค์ประกอบที่มีการละเมิดนั้น รูปแบบองค์ประกอบที่ทำให้เป็นก้อนคือสิ่งที่ช่วยให้คุณสามารถวิเคราะห์อุปกรณ์เช่นตัวต้านทานที่เชื่อมต่อโดยโหนดโดยไม่พิจารณาถึงรูปแบบทางกายภาพของอุปกรณ์และวงจร

แบบจำลององค์ประกอบ lumped ถือว่า:

  1. การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในเวลานอกตัวนำเป็นศูนย์

ϕBt=0
  1. การเปลี่ยนแปลงของการชาร์จภายในเวลาขององค์ประกอบการดำเนินการเป็นศูนย์

qt=0
  1. ความยาวลักษณะ (ขนาด 'ของโหนดและอุปกรณ์) น้อยกว่าความยาวคลื่นของสัญญาณที่น่าสนใจ

Lc<<λ

ฉันไม่รู้ว่าทำไมคำตอบนี้ไม่ใช่คำตอบที่ดีที่สุดของกอง มันโดยตรงและถูกต้องตอบคำถามรูต
robert bristow-johnson

9
ฉันเห็นด้วย - แต่แทนที่จะบอกสมการเหล่านี้โดยไม่มีคำอธิบายฉันอยากจะเห็นว่าสมการของ Kirchoff โผล่ออกมาจากสมการของ Maxwell บทที่ 2.3 ของ "วิศวกรรมไมโครเวฟระนาบ" ของทอมลีทำงานได้ดีในเรื่องนี้
divB

นี่เป็นคำตอบที่ยอดเยี่ยมถึงแม้ว่ามันจะไม่ได้กำหนดรูปแบบที่ซับซ้อนของ LEM เมื่อกฎถูกละเมิด แต่คำตอบอื่น ๆ ครอบคลุมถึงปัญหานี้
Sparky256

เมื่อแบบจำลองวงจรองค์ประกอบแบบดั้งเดิมไม่ทำงานที่ความถี่สูงฉันจะเพิ่มจำนวนมากขึ้นเพื่อจำลองแบบสายส่งอย่างต่อเนื่องหรือแบบจำลององค์ประกอบแบบฟินน์
richard1941

25

มีคำตอบที่ซับซ้อน (และขวา) มากมายที่นี่ ฉันจะเพิ่มการเปรียบเทียบง่ายๆอย่างเดียว - นึกถึงการยิงปืน:

  • ที่ระยะ 10 ซม. ระยะเวลาของการเดินทางด้วยกระสุนเป็นเพียงระยะทาง / ความเร็วและ hitpoint อยู่ในแนวเดียวกับขวานของบาร์เรล
  • ที่ระยะ 10 ม. คุณเห็นว่ากระสุนพุ่งเข้าหาเป้าหมายที่ต่ำกว่าเนื่องจากความโน้มถ่วงดึงมันลงมาเล็กน้อยและคุณต้องปรับจุดมุ่งหมายของคุณ
  • ที่ 20 m คุณต้องปรับให้มากขึ้นเนื่องจากความโน้มถ่วงมีผลมากกว่า
  • ที่ 100 ม. คุณเห็นว่าแม้จะมีความโน้มถ่วงนับอยู่ แต่ก็ไม่เหมาะ ทำไม? ใช่มีและอากาศและกระสุนก็ช้าเกินไป นอกจากนี้เรายังเห็นว่ากระสุนกำลังทำทุกอย่างนอกเหนือจากการบินตรงเนื่องจากการหมุนรวมกับความเร็วแนวตั้งของมันบีบอัดอากาศด้านหนึ่งและกระสุนกำลังเต้นอยู่ที่นั่น นอกจากนี้เรายังสามารถเห็นได้ว่ามันอาจไม่เหมือนกันทั้งหมดซึ่งเพิ่มการเคลื่อนไหวของปัจจัยอื่น
  • ที่ 1,000 ม. เราสามารถเห็นได้ว่ามีอย่างอื่น - ใช่โลกกำลังหมุนและนับด้วย
  • ดังนั้นจงไปให้สูงขึ้นซึ่งมันจะไม่จบการบินในพื้นดินอย่างรวดเร็วพูดบนวงโคจรแล้วยิงตรงนั้น - อีกครั้งมีนับมากกว่า - เราลืมเรื่องแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ด้วย
  • และในระยะทางไกลยิ่งกว่าที่เราเห็นว่าไม่เพียง แต่มีแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงแสงที่มาจากดวงอาทิตย์ซึ่งผลักดันมันออกมาเล็กน้อยและอนุภาคที่เคลื่อนไหวด้วยกระแสไฟฟ้าซึ่งทำให้เกิดกระแสเล็ก ๆ น้อย ๆ ในสนามแม่เหล็ก ...
  • และในร่องรอยที่ยาวมาก (เช่นดวงดาว) ก็ยังมีแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีอื่น ๆ (ไม่น่าแปลกใจ) แต่วัวของเรามีเวลาที่จะเปลี่ยนโครงสร้างภายในของมันเนื่องจากแม้แต่ตะกั่วก็ค่อยๆสลายไปอย่างช้าๆในองค์ประกอบทางเคมีอื่น ๆ

ตอนนี้มันซับซ้อนสุด ๆ แล้วลองย้อนกลับไปที่ระยะ 10 ซม. เมื่อเริ่ม - นั่นหมายความว่าสูตรเวลา = ระยะทาง / ความเร็วไม่ทำงานใช่ไหม หรือใช้สูตร Supercomplicated ขั้นสุดท้ายไม่ได้

ทว่างานทั้งสองอย่างเนื่องจากองค์ประกอบทั้งหมดที่เราเพิ่มเข้าไปในการคำนวณของเรายังมีอยู่ในระยะสั้น ๆ เท่านั้นความแตกต่างมีขนาดเล็กมากจนเราไม่สามารถวัดได้ และเพื่อให้เราสามารถใช้สูตร "ง่าย" ของเรา - ซึ่งไม่ถูกต้องทั้งหมด แต่ในเงื่อนไขที่เหมาะสมบางอย่างให้ผลลัพธ์ที่สมเหตุสมผล (พูดกับทศนิยม 5 ตำแหน่ง) และเราสามารถเรียนรู้ได้อย่างรวดเร็วใช้อย่างรวดเร็วและได้ผลลัพธ์ ถูกต้อง (ถึง 5 ตำแหน่งทศนิยม) ในระดับที่น่าสนใจสำหรับเรา


เช่นเดียวกับ DC, AC ช้า, ความถี่วิทยุ, ความถี่สูงพิเศษ ... ต่อไปนี้เป็นรุ่นที่แน่นอนกว่าของรุ่นก่อนหน้า, แต่ละรุ่นก่อนหน้าเป็นรุ่นพิเศษต่อไปนี้ในสถานการณ์ที่ความแตกต่างเล็ก ๆ น้อยมากที่เราสามารถทำได้ แยกพวกเขาออกและรับผลลัพธ์ที่ "ดีพอ"


4
@ gilhad คำตอบนี้ควรอ่านและเรียนสำหรับนักเรียน EE ทุกคน
analogsystemsrf

11

ฉันหมายความว่ามันเป็นการเชื่อมต่อโดยตรงเราไม่ได้ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการแพร่กระจายผ่านพื้นที่ว่างและความยาวคลื่นและสิ่งต่าง ๆ ไม่ควรใช่มั้ย

นั่นเป็นข้อสันนิษฐานที่ผิดมาก สัญญาณยังคงเป็นคลื่นอีเอ็มและยังคงเป็นคลื่นอีเอ็มหากพวกมันแพร่กระจายผ่านพื้นที่ว่างหรือตัวนำ กฎหมายยังคงเหมือนเดิม

ที่การเชื่อมต่อ (สายไฟ) ตามลำดับความยาวของความยาวคลื่นคุณไม่สามารถใช้วิธี "องค์ประกอบ lumped" อีกต่อไป วิธีการ "องค์ประกอบ lumped" หมายความว่าการเชื่อมต่อถือว่าเป็น "อุดมคติ" สำหรับสัญญาณความถี่สูงในระยะทางตามลำดับความยาวคลื่นและใหญ่กว่าวิธีนี้ไม่ถูกต้อง

ดังนั้นโปรดจำไว้ว่ากฎหมาย EM จะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อคลื่น EM เคลื่อนที่ผ่านอวกาศหรือตัวนำพวกมันใช้ในทั้งสองกรณี คลื่นอีเอ็มยังคงเป็นคลื่นอีเอ็มในพื้นที่ว่างหรือในตัวนำ


ถูก ฉันเข้าใจว่าคลื่น EM ยังคงมีอยู่เมื่อส่งแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับผ่านสาย - แต่พวกเขาไม่ได้ช่วยให้กระแสไหลที่เกิดขึ้นจริงถูกต้อง (นอกเหนือจากการลดลงเล็กน้อยด้วย emf ฝ่ายตรงข้าม) ดังนั้นทำไมเราควรละทิ้งรูปแบบความถี่ต่ำและ DC ของเราเมื่อกระแสหลัก AC ยังคงไหลผ่านสายนั้น ฉันไม่เห็นว่าความยาวคลื่นเล็กเกินไปเข้ามาเมื่อเรามีสายตรงจากแหล่งกำเนิด AC และโหลด
AlfroJang80

ควรเพิ่มแม้สำหรับสัญญาณความเร็วสูงที่สุดที่คาดหวังบน PCB "ปกติ" รุ่น lumped ยังคงใช้งานได้หากความจุและการเหนี่ยวนำของแทร็กทั้งหมดถูกนำมาพิจารณา ระยะทางมีขนาดเล็กหลังจากทั้งหมด
Janka

4
@ AlfroJang80 เสาอากาศไดโพลเป็นเพียงสายคู่สายโดยตรงจากฟีดไปจนถึงปลายเปิด และยังสามารถส่งและรับสัญญาณ RF ไร้สาย ที่ไหนสักแห่งระหว่างสายที่สั้นมากที่ไม่รับหรือส่งพลังงานใด ๆ และหนึ่งในสี่ของไดโพลที่ส่งและรับอย่างมีประสิทธิภาพจะต้องมีพื้นกลางที่มีผลกระทบของรังสีมีความสำคัญ แต่ไม่โดดเด่น
โฟตอน

3
@ AlfroJang80 ลองคิดถึงสถานการณ์ง่ายๆที่ "กระแส" เป็นเพียง "การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน" หากมีสิ่งใดที่ทำให้อิเล็กตรอนตัวแรกในสายเริ่มเคลื่อนที่อะไรที่ทำให้อิเล็กตรอนตัวถัดไปและอันถัดไปคืออันที่อยู่ห่างออกไป 1 กิโลเมตรถ้ามันเป็นเส้นลวดยาว ๆ ? ตอบสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบ ๆ อิเล็กตรอนแต่ละตัว อย่าลืมว่าวงจรแบบธรรมดาที่มีเพียงแบตเตอรี่สวิตช์และตัวต้านทานไม่ใช่ "วงจร DC" ในทันทีเมื่อคุณเปิดหรือปิดสวิตช์เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน- แต่ในหลักสูตรแรกของคุณในวงจร DC การวิเคราะห์คุณไม่สนใจข้อเท็จจริงนั้น
alephzero

2
@ AlfroJang80 ปัจจุบันเป็นเพียงครึ่งหนึ่งและแรงดันไฟฟ้าเป็นอีกครึ่งหนึ่ง นั่นคือกุญแจสำคัญ ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของสนามแม่เหล็กของคลื่น EM แรงดันไฟฟ้าเป็นส่วน e-field "VI" คือ "EM" สายไฟทั้งหมดเป็นท่อนำคลื่น! แต่เราสามารถเพิกเฉยต่อสิ่งนี้ได้ถ้าเราบอกว่าคลื่นอีเอ็มเป็นจริง "อี" แรงดันไฟฟ้าและ "เอ็ม" แยกต่างหาก จากนั้นมุ่งเน้นไปที่โวลต์ DC / แอมป์เท่านั้นไม่สนใจคลื่น EM ของวงจร แต่แม้แต่ DC ก็เป็นคลื่นที่ 0Hz (หรือที่ 0.0001Hz) ในวงจรฟิสิกส์ DC ไม่มีอยู่จริงและทุกอย่างก็คือคลื่น EM ที่นำโดยอิเล็กตรอนแถวยาวโดยพลังงาน "ไฟฟ้า" ทั้งหมดเดินทางนอกสายเท่านั้น .
wbeaty

8

พวกเขาจะไม่พังทลาย แต่เมื่อเวลาเพิ่มขึ้นใกล้ถึง 10% หรือน้อยกว่าความล่าช้าในการแพร่กระจายไปยังการจับคู่ความต้านทานโหลดเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากความยาวคลื่นนั้น โหลดอิมพีแดนซ์โหลดกลับด้านเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ 1/4 ความยาวคลื่นไม่ว่าจะถูกดำเนินการหรือแผ่รังสี

หากโหลดไม่ได้เป็นอิมพีแดนซ์ที่จับคู่กับการสะท้อน "สายส่งและแหล่งกำเนิด" จะเกิดขึ้นตามค่าสัมประสิทธิ์บางอย่างที่เรียกว่าการสูญเสียคืนและค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ

นี่คือการทดลองที่คุณสามารถทำได้เพื่อแสดงคลื่น EM ที่ดำเนินการ

หากคุณลองตรวจสอบคลื่นสี่เหลี่ยม 1 MHz ในโพรบขอบเขต 10: 1 พร้อมคลิปภาคพื้นดิน 10 ซม. คุณอาจเห็นการสั่นพ้องของ coax resonance 20 MHz ใช่โพรบไม่ได้จับคู่กับเครื่องกำเนิด 50 โอห์มดังนั้นการสะท้อนจะเกิดขึ้นตามตะกั่วภาคพื้นดิน 10 nH / cm และ coax โพรบพิเศษ 50 pF / m มันยังคงเป็นการตอบสนองขององค์ประกอบ (LC)

การลดโพรบ 10: 1 ให้เหลือน้อยกว่า 1 ซม. ถึงเพียงปลายเข็มและแหวนโดยไม่มีคลิปกราวด์ยาวทำให้ความถี่เรโซแนนท์อาจเพิ่มขึ้นจนถึงข้อ จำกัด ของโพรบและขอบเขตที่ 200 MHz

ทีนี้ลอง coax 1: 1 1 m ซึ่งก็คือ 20 ns / m ดังนั้นคลื่นสี่เหลี่ยม 20 ~ 50 MHz บน coax 1 ม. ที่มีการสอบสวน 1: 1 จะเห็นการสะท้อนที่ความยาวคลื่นหนึ่งและการตอบสนองคลื่นสี่เหลี่ยมที่น่ากลัวยกเว้น สิ้นสุดที่ขอบเขตด้วย 50 โอห์ม นี่เป็นการสะท้อนคลื่น EM ที่ดำเนินการ

แต่พิจารณาสัญญาณลอจิกที่รวดเร็วด้วยเวลาที่เพิ่มขึ้น 1 ns อาจมีอิมพิแดนซ์ต้นทาง 25 โอห์มและมีแบนด์วิดท์> 300 MHz ดังนั้นการ overhoot อาจเป็นการวัดข้อผิดพลาดหรือความต้านทานอิมพิแดนซ์ที่ไม่ตรงกัน

ตอนนี้คำนวณ 5% ของความยาวคลื่น 300 MHz ที่ 3e8 m / s สำหรับอากาศและ 2e8 m / s สำหรับ coax และดูว่าการหน่วงเวลาการแพร่กระจายนั้นทำให้เกิด echoes จากโหลดที่ไม่ตรงกันเช่น CMOS high Z และบอกว่าแทร็ค 100 ohm . นี่คือสาเหตุที่ความต้องการอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมมักจะสูงกว่า 20 ~ 50 MHz และนี่เป็นผลกระทบต่อเสียงเรียกเข้าหรือเกินขีดหรืออิมพิแดนซ์ไม่ตรงกัน แต่หากไม่มีนี่คือเหตุผลที่ตรรกะมีเขตสีเทาขนาดใหญ่ระหว่าง "0 & 1" เพื่ออนุญาตให้มีการเรียกเข้า

หากไม่ทราบคำใด ๆ ให้ค้นหาคำเหล่านั้น


@PeterMortensen ty
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

7

แม้ว่านี่จะได้รับคำตอบสองสามครั้ง แต่ฉันต้องการเพิ่มเหตุผลที่ฉันพบว่าเป็นการเปิดตาส่วนใหญ่และนำมาจากหนังสือของทอมลี "วิศวกรรมไมโครเวฟระนาบ" (บทที่ 2.3)

ตามที่ระบุไว้ในคำตอบอื่น ๆ คนส่วนใหญ่ลืมว่ากฎหมาย Kirchoffs เป็นเพียงการประมาณที่อยู่ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง (ระบอบการปกครองเป็นก้อน) เมื่อสันนิษฐานว่าพฤติกรรมกึ่งคงที่ การประมาณเหล่านี้เป็นอย่างไร

เริ่มต้นด้วยคำพูดของ Maxwell ในพื้นที่ว่าง:

μ0H=0(1)ϵ0E=ρ(2)×H=J+ϵ0Et(3)×E=μ0Ht(4)

สมการ 1 ระบุว่าไม่มีความแตกต่างในสนามแม่เหล็กและด้วยเหตุนี้จึงไม่มีโมโนโพลแม่เหล็ก (คำนึงถึงชื่อผู้ใช้ของฉัน! ;-))

สมการที่ 2 เป็นกฎของเกาส์และระบุว่ามีประจุไฟฟ้า (โมโนโพล) นี่คือที่มาของความแตกต่างของสนามไฟฟ้า

สมการที่ 3 เป็นกฎของแอมแปร์ที่มีการดัดแปลงแมกซ์เวลล์: มันระบุว่ากระแสไฟฟ้าปกติและสนามไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลาสร้างสนามแม่เหล็ก

สมการที่ 4 เป็นกฎหมายในปัจจุบันและระบุว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง (a curl) ในสนามไฟฟ้า

สมการ 1-2 ไม่สำคัญสำหรับการสนทนานี้ แต่สมการ 3-4 คำตอบที่พฤติกรรมของคลื่นมาจาก (และเนื่องจากสมการของ Maxwell เป็นแบบทั่วไปพวกเขาใช้กับวงจรทั้งหมดรวม DC): การเปลี่ยนแปลงใน E ทำให้เกิดโอกาสใน H ซึ่ง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใน E และอื่น ๆ เป็นคำศัพท์ที่ทำให้เกิดพฤติกรรมของคลื่น !

ทีนี้สมมติว่า mu0 เป็นศูนย์ จากนั้นสนามไฟฟ้าก็จะไม่งอและสามารถแสดงเป็นความลาดชันของศักย์ไฟฟ้าซึ่งก็หมายความว่าเส้นอินทิกรัลรอบเส้นทางที่ปิดอยู่นั้นมีค่าเป็นศูนย์:

V=Edl=0

Voila นี้เป็นเพียงการแสดงออกสนามทางทฤษฎีของกฎหมายแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff

ในทำนองเดียวกันการตั้งค่า epsilon0 เป็นศูนย์ผลลัพธ์

J=(×H)=0

ซึ่งหมายความว่า divergense ของ J เป็นศูนย์ซึ่งหมายความว่าไม่มี (สุทธิ) ปัจจุบันสามารถสร้างที่โหนดใด ๆ นี้เป็นอะไรมากไปกว่าKirchhoffs กฎหมายปัจจุบัน

ในความเป็นจริง epsilon0 และ mu0 นั้นแน่นอนว่าไม่เป็นศูนย์ อย่างไรก็ตามมันปรากฏในคำจำกัดความของความเร็วแสง:

c=1μ0ϵ0

ด้วยความเร็วแสงที่ไม่มีที่สิ้นสุดเงื่อนไขการแต่งงานจะหายไปและจะไม่มีพฤติกรรมของคลื่นเลย อย่างไรก็ตามเมื่อขนาดทางกายภาพของระบบมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นดังนั้นความละเอียดของความเร็วของแสงจะไม่สังเกตเห็นได้ (เช่นเดียวกับการขยายเวลาจะมีอยู่เสมอ แต่จะไม่สังเกตเห็นได้ชัดสำหรับความเร็วต่ำและสมการของนิวตัน ทฤษฎีความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์)


ทำไม upvotes น้อยมาก? ฉันชอบคำตอบนี้
Neil_UK

1

สัญญาณไฟฟ้าใช้เวลาในการเผยแพร่ผ่านสายไฟ (และร่องรอย PCB) ช้ากว่าคลื่น EM ผ่านสุญญากาศหรืออากาศเสมอ

ตัวอย่างเช่นคู่บิดในสายเคเบิล CAT5e มีปัจจัยความเร็ว 64% ดังนั้นสัญญาณเดินทางที่ 0.64c และมันจะไปประมาณ 8 "ในนาโนวินาทีวินาที nanosecond เป็นเวลานานในบริบทอิเล็กทรอนิกส์บางมันเป็นเวลา 4 นาฬิกา รอบใน CPU ที่ทันสมัยเช่น

การกำหนดค่าของตัวนำขนาด จำกัด มีการเหนี่ยวนำและความจุและ (โดยปกติ) ความต้านทานเพื่อให้สามารถประมาณโดยใช้ชิ้นส่วนก้อนที่ระดับปลีกย่อยของเมล็ด คุณอาจแทนที่ลวดด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน 20 ซีรีย์ด้วยตัวเก็บประจุ 20 ตัวเป็นระนาบกราวด์ หากความยาวคลื่นสั้นมากเมื่อเทียบกับความยาวคุณอาจต้องการ 200 หรือ 2000 หรือ .. สิ่งใดที่ใกล้เคียงกับเส้นลวดและวิธีการอื่น ๆ อาจเริ่มดูน่าสนใจเช่นทฤษฎีสายส่ง .

"กฎหมาย" เช่น KVL, KCL เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ประมาณความเป็นจริงอย่างแม่นยำมากภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม กฎหมายทั่วไปเช่นสมการของแมกซ์เวลล์ใช้โดยทั่วไป อาจมีบางสถานการณ์ (ความสัมพันธ์อาจ) ซึ่งสมการของ Maxwell นั้นไม่แม่นยำอีกต่อไป


2
สมการของแมกซ์เวลสามารถแก้ไขได้ (Lorentz – FitzGerald) เพื่อให้คงที่ภายใต้การแปลงสัมพัทธภาพ ถ้าคุณอ่านภาษาเยอรมัน (อย่างที่ฉันทำ) นี่อาจเป็นภาพรวมสั้น ๆ ที่ดีที่สุดของสมการที่ถูกเปลี่ยนรูปซึ่งฉันสามารถหาได้อย่างรวดเร็ว ฉันยังต้องการนี้
จอน

1

มันเป็นคลื่น สิ่งเดียวกันที่เกิดขึ้นที่นี่เป็นสิ่งเดียวกันที่พูดถึงเมื่อพูดถึงว่า "ไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง" แม้ว่าอิเล็กตรอนนั้นจะเคลื่อนที่ช้ากว่ามาก ที่จริงแล้วมันเป็นเรื่องเกี่ยวกับ 2/3 (IIRC) ความเร็วของแสงในวัสดุตัวนำส่วนใหญ่ - ดังนั้นประมาณ 200 000 km / s โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคุณขว้างสวิตช์เช่นคุณส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลงไปในวงจรซึ่งทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นให้เคลื่อนที่ มันเป็นคลื่น "สเต็ป" ในกรณีนั้น - ด้านหลังสนามนั้นมีค่าคงที่สูงไปข้างหน้ามันเป็นศูนย์ แต่เมื่อผ่านอิเล็กตรอนก็จะเคลื่อนที่ คลื่นเคลื่อนที่เป็นสื่อกลางด้วยความเร็วที่ช้ากว่าในพื้นที่ว่าง แต่พวกเขายังคงผ่านสื่อ - นั่นคือเหตุผลที่แสงสามารถลอดผ่านกระจกได้

ในกรณีนี้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าจะ "สูบ" ไปเรื่อย ๆ ดังนั้นจึงตั้งค่าคลื่นที่แกว่งไปมาในลักษณะเดียวกันย้ายด้วยความเร็วเท่ากัน ที่ความถี่ต่ำเช่น 60 Hz ความยาวของคลื่นเหล่านี้จะยาวกว่าระดับของอุปกรณ์เดี่ยวในระดับมนุษย์นั่นคือสำหรับความถี่นั้นประมาณ 3000 กม. (200 000 km / s * (1/60 s), เมื่อเทียบกับอาจ 0.1 ม. (100 มม.) สำหรับ PCB มือถือทั่วไปซึ่งมีความหมายเกี่ยวกับสเกลแฟกเตอร์ขนาด 30 000 000: 1 และคุณสามารถใช้เป็นกระแสไฟฟ้าสม่ำเสมอที่มีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ

ในอีกด้านหนึ่งขึ้นไปพูด 6 GHz - ดังนั้นการใช้งาน RF ไมโครเวฟเช่นเดียวกับในเทคโนโลยีการส่งโทรคมนาคม - และตอนนี้ความยาวคลื่นจะสั้นกว่า 100 ล้านเท่าหรือ 30 มม. นั่นเป็นวิธีที่เล็กกว่าขนาดของวงจรคลื่นเป็นสิ่งสำคัญและตอนนี้คุณต้องการสมการทางไฟฟ้าวิทยาที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นและ Kirchhoff ที่ดีจะไม่ตัดมัสตาร์ดอีกต่อไป :)


1

คำตอบที่ง่ายกว่า: เนื่องจากส่วนประกอบของกาฝากที่ไม่ได้วาดในแผนภาพวงจรของคุณเริ่มมีบทบาท:

  • ความต้านทานอนุกรม (ESR) และการเหนี่ยวนำอนุกรมของตัวเก็บประจุ
  • ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของสายเนื่องจากผิวผล
  • การทำให้หมาด ๆ ขนาน (กระแสน้ำวน) และความจุของตัวเหนี่ยวนำแบบขนาน,
  • ความสามารถของกาฝากระหว่างโหนดแรงดันไฟฟ้า (เช่นระหว่างร่องรอย PCB รวมถึง "กราวด์")
  • การเหนี่ยวนำกาฝากของลูปปัจจุบัน
  • การเหนี่ยวนำคู่ระหว่างลูปปัจจุบัน
  • การมีเพศสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กระหว่างตัวเหนี่ยวนำที่ไม่หุ้มฉนวนซึ่งอาจขึ้นอยู่กับขั้วแบบสุ่มของการจัดวางองค์ประกอบ
  • ...

นี่เป็นหัวข้อของ EMC ซึ่งสำคัญมากหากคุณต้องการสร้างวงจรที่ใช้งานได้จริง

อย่าแปลกใจถ้าคุณไม่สามารถวัดได้ว่าเกิดอะไรขึ้น เหนือ MHz หรือมากกว่านั้นจะกลายเป็นศิลปะในการเชื่อมต่อโพรบออสซิลโลสโคปอย่างเหมาะสม


1

คุณได้รับคำตอบที่ยอดเยี่ยมมากมายสำหรับคำถามของคุณดังนั้นฉันจะไม่ย้ำสิ่งที่พูดไปแล้ว

ฉันจะพยายามพูดถึงความคิดเห็นของคุณเพื่อตอบคำถามต่าง ๆ แทน จากความคิดเห็นที่คุณโพสต์คุณดูเหมือนจะมีความเข้าใจผิดพื้นฐานเกี่ยวกับกฎทางกายภาพที่ควบคุมวงจร

ดูเหมือนว่าคุณคิดว่า "อิเล็กตรอนที่เคลื่อนไหวอยู่ในเส้นลวด" นั้นเป็นสิ่งที่ไม่เกี่ยวข้องกับคลื่น EM และคลื่น EM นั้นเข้ามาเล่นในบางสถานการณ์หรือบางสถานการณ์เท่านั้น สิ่งนี้ผิดปกติ

ดังที่คนอื่น ๆ ได้กล่าวไว้สมการของ Maxwell (MEs นับจากนี้เป็นต้นไป) เป็นกุญแจสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจปัญหาอย่างแท้จริง สมการเหล่านั้นสามารถอธิบายปรากฏการณ์ EM ทุกชนิดที่มนุษย์รู้จักยกเว้นปรากฏการณ์ควอนตัม ดังนั้นจึงมีแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายมาก แต่นั่นไม่ใช่ประเด็นหลักที่ฉันต้องการ

สิ่งที่คุณควรเข้าใจก็คือประจุไฟฟ้า (ตัวอย่างเช่นอิเลคตรอน) สร้างสนามไฟฟ้ารอบตัวพวกเขาเพียงแค่มีอยู่จริง และถ้าพวกเขาย้าย (เช่นถ้าพวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของกระแสไฟฟ้า) พวกเขายังสร้างแม่เหล็กฟิลด์

การเดินทางของคลื่น EM (สิ่งที่คนทั่วไปมักเข้าใจว่าเป็น "คลื่น" ของ EM) เป็นเพียงการขยายพันธุ์ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กทั่วทั้งอวกาศ ("สูญญากาศ") หรือสื่อทางกายภาพอื่น ๆ

โดยทั่วไปนั่นคือสิ่งที่ฉันพูด

ยิ่งไปกว่านั้นฉันยังบอกคุณว่าเมื่อใดก็ตามที่เขตข้อมูลแตกต่างกัน (ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก) จากนั้น "อัตโนมัติ" เขตข้อมูลอื่นจะเกิดขึ้น (และจะแตกต่างกันไปเช่นกัน) นั่นเป็นเหตุผลที่คลื่น EM เรียกว่าElectro-Magnetic : สนามไฟฟ้าที่แตกต่างกัน (เวลา -) แสดงถึงการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน (เวลา -) และในทางกลับกัน จะไม่มีฟิลด์ E ที่แตกต่างกันหากไม่มีฟิลด์ M ที่แตกต่างกันและสมมาตรจะไม่มีฟิลด์ M ที่แตกต่างกันได้หากไม่มีฟิลด์ E ที่ต่างกัน

ซึ่งหมายความว่าถ้าคุณมีในปัจจุบันวงจรและปัจจุบันนี้ไม่ได้เป็น DC (มิฉะนั้นมันจะสร้างสนามแม่เหล็กแบบคงที่) คุณจะมีคลื่น EM ในทุกพื้นที่โดยรอบเส้นทางของปัจจุบัน เมื่อฉันพูดว่า "ในพื้นที่ทั้งหมด" ฉันหมายถึง "พื้นที่ทางกายภาพทั้งหมด" โดยไม่คำนึงว่าร่างกายอยู่ในพื้นที่นั้น

แน่นอนว่าร่างกายมีการเปลี่ยนแปลง "รูปร่าง" (เช่นลักษณะ) ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า EM ที่สร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้า: ในความเป็นจริงส่วนประกอบคือ "ร่างกาย" ที่ออกแบบมาเพื่อปรับเปลี่ยนสนามไฟฟ้าในลักษณะที่ควบคุม

ความสับสนในการให้เหตุผลของคุณอาจมาจากความจริงที่ว่าส่วนประกอบล้างโลกถูกออกแบบมาเพื่อการทำงานได้ดีเฉพาะภายใต้สมมติฐานว่าเขตจะแตกต่างกันอย่างช้าๆ สิ่งนี้เรียกว่าเทคนิคการสันนิษฐานว่าเป็นเขตกึ่งคงที่ : เขตข้อมูลจะถือว่าแตกต่างกันอย่างช้า ๆ เพื่อให้คล้ายกับที่อยู่ในสถานการณ์ DC จริง

สมมติฐานนี้นำไปสู่การทำให้เข้าใจง่ายอย่างมาก: ช่วยให้เราใช้กฎหมายของ Kirchhoff ในการวิเคราะห์วงจรโดยไม่มีข้อผิดพลาดที่ประเมินค่าได้ นี่ไม่ได้หมายความว่าส่วนประกอบโดยรอบและภายในและแทร็ก PCB ไม่มีคลื่น EM มีแน่นอน! ข่าวดีก็คือพฤติกรรมของพวกเขาสามารถลดลงอย่างมีประโยชน์กับกระแสและแรงดันไฟฟ้าเพื่อวัตถุประสงค์ในการออกแบบและวิเคราะห์วงจร


1

คุณกำลังถามคำถามสองข้อจริง ๆ : 1) "ทำไมวงจรกฎหมายพื้นฐานสลาย" ที่ความถี่สูง AC 2) ทำไมพวกเขาจึงควรแยกย่อยเมื่อใช้ "สายไฟจริง ... "

คำถามแรกได้รับการกล่าวถึงในคำตอบก่อนหน้า แต่คำถามที่สองทำให้ฉันเชื่อว่าใจของคุณไม่ได้เปลี่ยนจาก "การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน" ไปเป็นคลื่น EM ซึ่งฉันจะพูด

ไม่ว่าคลื่น EMจะถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไรพวกมันก็เหมือนกัน (นอกเหนือจากแอมพลิจูดและความถี่) พวกเขาเผยแพร่ที่ความเร็วของแสงและเป็นเส้น "ตรง"
ในกรณีที่เฉพาะเมื่อพวกเขาถูกสร้างขึ้นโดยประจุที่ไหลในสายคลื่นจะตามทิศทางของเส้นลวด !
ทุกครั้งเมื่อจัดการกับค่าใช้จ่ายย้ายคุณจะจัดการกับคลื่น EM อย่างไรก็ตามเมื่ออัตราส่วนของความยาวคลื่นต่อขนาดของวงจรสูงพอผลกระทบลำดับที่ 2 และสูงกว่านั้นก็เล็กพอสำหรับการใช้งานจริง

ฉันหวังว่าตอนนี้มันชัดเจนแล้วว่าสายไฟทำหน้าที่ควบคุมคลื่นอีเอ็มเท่านั้นแทนที่จะเปลี่ยนธรรมชาติของมัน


Fantastic! นั่นคือความกังวลของฉัน
AlfroJang80

สิ่งสุดท้าย. ดังนั้นที่ AC ความถี่ต่ำอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปมาและสิ่งนี้จะสร้างคลื่น emag ที่ทำให้เกิด อย่างไรก็ตามเนื่องจากความถี่ต่ำปริมาณของพลังงานที่มีอยู่ในคลื่นเหล่านี้จึงน้อยมากดังนั้นไม่สำคัญว่าเราจะนำมาพิจารณาหรือไม่ ที่ความถี่สูง AC คลื่น emag เหล่านี้มีพลังงานมากขึ้นและเราต้องคำนึงถึงด้วยเช่นกันโปรดจำไว้ว่าแรงดันไฟฟ้าและรูปคลื่นในปัจจุบันจะล่าช้าในจุดต่าง ๆ ของวงจรด้วย ถูกต้องไหม
AlfroJang80

-1

คุณต้องเปลี่ยนวิธีคิดเกี่ยวกับไฟฟ้า คิดว่าแนวคิดเป็นอิเล็กตรอนที่แกว่งไปมาในพื้นที่ว่าง ใน DC การแกว่งจะผลักและเคลื่อนที่อิเล็กตรอนในเวกเตอร์ทิศทางทั่วไปเดียวกัน ที่ความถี่สูงการกระจัดจะเกิดขึ้นในหลาย ๆ ทางในอัตราที่สูงขึ้นและสุ่มมากขึ้นและทุกครั้งที่คุณกำจัดอิเล็กตรอนสิ่งที่เกิดขึ้นและการใช้สมการที่แสดงไว้ที่นี่และในหนังสือตำรา เมื่อคุณวิศวกรรมคุณกำลังพยายามสร้างแบบจำลองและระบุรูปแบบของสิ่งที่เกิดขึ้นและใช้สิ่งนั้นเพื่อแก้ปัญหา

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.