終端抵抗とは？信号の安定化についてわかりやすく解説

質問

• 終端抵抗を付けないと信号が乱れる理由や、終端抵抗が信号の安定化にどのように関わっているのかについて解説します。
• 終端抵抗を付けないと、信号の末端で反射波が発生し、入力信号と混ざって信号が乱れます。終端抵抗を付けることで、反射波が吸収されるため信号が安定化します。
• 終端抵抗がない場合、信号が末端で反射し入力信号と重なることで信号が乱れます。終端抵抗は反射波を吸収する役割を果たし、信号の安定化につながります。

回答No.6

tadys · ベストアンサー

＞信号線の末端に終端抵抗を付けておかないと信号が乱れるといいますよね。

電気信号が電線を伝わる速さは光速度よりは早くならないので有限の時間がかかることに注意が必要です。

電線に電圧を加えると電流が流れます。
この時流れる始める時の電流は負荷抵抗で決まるわけではありません。
それは電線の特性インピーダンスで決まります。
特性インピーダンスは電線を流れる電気の電圧と電流の比で決まります。
特性インピーダンスについてはこちらを参考にしてください。
http://www.geocities.jp/rfpagejp/tokusei-z.htm

よく目にするのは同軸ケーブルの50Ωや75Ωですが同軸ケーブル固有のものではなく
特性インピーダンスはどんな電線にも存在します。

電圧2Vで内部抵抗1オームの電源から特性インピーダンス1Ωの電線に直流電圧を送り出すとします。
特性インピーダンスの定義により流れる電流は1Aです。
この電圧が電線の終端に到達したときにどうなるかという事が問題になっていることです。
もし終端がオープンになっていると電流が流れませんから電流をゼロにするため逆向きの電流が発生する必要が有ります。
この逆向きの電流によって1Ωの電線には1Vの電圧が生じてトータルで2Vの電圧が電源に向かって逆流します。

もし終端がショートになっていると電圧がゼロになるために逆向きの電圧が発生する必要が有ります。
この電圧を発生するためには電線から1Aの電流を余分に引き出す必要が有ります。
これによりショート部分には2Aの電流が流れます。
この電流も電源に逆流します。
これら逆流するものを反射と呼んでいます。

もし終端がオープンやショートでないときにはどうなるかを説明します。
終端から電線を見た時の等価回路がどのようになるかというと、上記の場合はオープンで2V、ショートで2Aの電源に見えます。
（テブナンの定理、ノルトンの定理）
電線に流れている電圧をVs、特性インピーダンスをZ0、負荷抵抗をRとします。
この時Rに発生する電圧をVrとすると2×Vsの電圧をZ0とRで分割したものとなります。
Vr ＝ 2×Vs×R／(R＋Z0)

上記の例では電源の内部抵抗と電線の特性インピーダンスを同じと仮定したので逆流した信号は電源側での反射は生じません。
電源側と終端側で反射が発生すると複雑な波形になってしまいます。

お礼

みなさま、多くの詳細のご回答ありがとうございました。
みなさまにヒントを頂いたのち、キーワードに頼りながら勉強して
ある程度感覚がわかってきました。
そもそも電気信号なるものを直流的な考え方をして電子が端から端まで移動していくようなイメージを持っていたのが大きな間違いでした。
厳密な理解には遠いですが、感覚的にはしっくりくるようになりました。
沢山のヒント、ありがとうございました。