Leiterplattentechnisch - Entwurf der Leiterplatte mit kontrollierter Impedanz und der charakteristischen Impedanz der Verbindungsleitung

In den letzten Jahren, Ein immer wichtiger werdendes Thema im Bereich der Hochgeschwindigkeitsdesign ist die Gestaltung von Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz und der charakteristischen Impedanz von Verbindungsleitungen auf der Leiterplatte. Allerdings, für nichtelektronische Konstrukteure, Dies ist auch ein ziemlich verwirrendes und unintuitives Problem. Auch viele Elektronikdesigner sind darüber gleichermaßen verwirrt.

Charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung

Aus der Perspektive der Batterie, sobald der Konstruktionsingenieur die Leitung der Batterie mit dem vorderen Ende der Übertragungsleitung verbindet, gibt es immer einen konstanten Wert des Stroms, der aus der Batterie fließt, und das Spannungssignal wird stabil gehalten. Manche Leute fragen sich vielleicht, welche Art von elektronischen Komponenten haben ein solches Verhalten? Wenn ein konstantes Spannungssignal hinzugefügt wird, behält es einen konstanten Stromwert bei, der natürlich ein Widerstand ist.

Für die Batterie, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung vorwärts ausbreitet, jedes 10ps Zeitintervall, wird ein neues Übertragungsleitungssegment von 0,06 Zoll hinzugefügt, um auf 1V aufgeladen zu werden. Die neu erhöhte Ladung aus der Batterie sorgt dafür, dass eine stabile Batterie erhalten bleibt. Der Strom zieht einen konstanten Strom von der Batterie, die Übertragungsleitung ist äquivalent zu einem Widerstand, und der Widerstand ist konstant. Wir nennen es die Stoßimpedanz der Übertragungsleitung.

Ähnlich wird, wenn ein Signal entlang einer Übertragungsleitung vorwärts reist, jede bestimmte Entfernung, die es zurücklegt, das Signal ständig die elektrische Umgebung der Signalleitung sondiert und versucht, die Impedanz des Signals zu bestimmen, wenn es weiter vorwärts reist. Sobald das Signal zur Übertragungsleitung hinzugefügt und entlang der Übertragungsleitung verbreitet wurde, hat das Signal selbst untersucht, wie viel Strom benötigt wird, um die Länge der Übertragungsleitung zu laden, die im 10ps-Zeitintervall propagiert wird, und diesen Teil des Übertragungsleitungssegments auf 1V geladen zu halten. Dies ist der momentane Impedanzwert, den wir analysieren wollen.

Aus der Perspektive der Batterie selbst, wenn sich das Signal entlang der Richtung der Übertragungsleitung mit einer konstanten Geschwindigkeit ausbreitet und davon ausgeht, dass die Übertragungsleitung einen einheitlichen Querschnitt hat, dann verbreitet sich jedes Mal das Signal eine feste Länge (wie die Entfernung, die das Signal in einem 10ps-Zeitintervall ausbreitet), Holen Sie sich die gleiche Menge an Ladung von der Batterie, um sicherzustellen, dass dieser Abschnitt der Übertragungsleitung mit der gleichen Signalspannung geladen wird. Jedes Mal, wenn das Signal einen festen Abstand ausbreitet, wird der gleiche Strom von der Batterie erhalten und die Signalspannung wird konstant gehalten. Während des Signalausbreitungsprozesses ist die momentane Impedanz überall auf der Übertragungsleitung gleich.

Wenn während des Prozesses der Signalausbreitung entlang der Übertragungsleitung eine konstante Signalausbreitungsgeschwindigkeit überall auf der Übertragungsleitung vorhanden ist und die Kapazität pro Einheitslänge ebenfalls gleich ist, dann wird das Signal während des Ausbreitungsprozesses immer eine völlig konsistente momentane Impedanz sehen. Da die Impedanz auf der gesamten Übertragungsleitung konstant bleibt, geben wir einen bestimmten Namen, um diese Eigenschaft oder Eigenschaft einer bestimmten Übertragungsleitung darzustellen, die die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung genannt wird. Die charakteristische Impedanz bezieht sich auf den momentanen Impedanzwert, der vom Signal gesehen wird, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung ausbreitet. Wenn die charakteristische Impedanz des Signals während der Ausbreitung des Signals entlang der Übertragungsleitung zu jeder Zeit gleich bleibt, wird eine solche Übertragungsleitung als Übertragungsleitung mit kontrollierter Impedanz bezeichnet.

Die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ist ein sehr wichtiger Faktor bei der Auslegung

Die momentane Impedanz oder charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ist ein sehr wichtiger Faktor, der die Signalqualität beeinflusst. Wenn die Impedanz zwischen benachbarten Signalausbreitungsintervallen während der Signalausbreitung gleich bleibt, kann sich das Signal sehr reibungslos vorwärts ausbreiten, und die Situation wird sehr einfach.

Um eine bessere Signalqualität zu gewährleisten, Ziel des Signalverbindungsdesigns ist es sicherzustellen, dass die während der Signalübertragung beobachtete Impedanz so konstant wie möglich bleibt. Dies bezieht sich hauptsächlich auf das Halten der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung konstant. Daher, das Design und Herstellung von Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz wird immer wichtiger. Wie bei allen anderen Design-Tricks, wie Minimierung der Fingerlänge, Terminalabgleich, Daisy Chain Anschluss oder Zweigverbindung, etc., Alle sollen sicherstellen, dass das Signal eine konstante momentane Impedanz sehen kann.

Berechnung der charakteristischen Impedanz

Aus dem obigen einfachen Modell können wir den Wert der charakteristischen Impedanz ableiten, das heißt den Wert der momentanen Impedanz, die während der Übertragung des Signals gesehen wird. Die vom Signal in jedem Ausbreitungsintervall gesehene Impedanz Z entspricht der Grunddefinition der Impedanz

Z=V/I

Die Spannung V bezieht sich hier auf die Signalspannung, die der Übertragungsleitung hinzugefügt wird, und der Strom I bezieht sich auf die Gesamtladung δQ, die von der Batterie in jedem Zeitintervall δt erhalten wird, also

I=Q/δt

Die in die Übertragungsleitung fließende Ladung (die Ladung kommt letztlich von der Signalquelle) wird verwendet, um die Kapazität δC, die zwischen der neu hinzugefügten Signalleitung und dem Rückweg im Signalausbreitungsprozess gebildet wird, auf die Spannung V aufzuladen, so dass

δQ=VδC

Wir können die Kapazität, die durch das Signal verursacht wird, das während des Ausbreitungsprozesses einen bestimmten Abstand zurücklegt, mit dem Kapazitätswert CL pro Einheitslänge der Übertragungsleitung und der Geschwindigkeit U des sich auf der Übertragungsleitung ausbreitenden Signals in Beziehung setzen. Gleichzeitig ist der Abstand, den das Signal zurücklegt, die Geschwindigkeit U multipliziert mit dem Zeitintervall δt. so

δC=(CLU)δt

Wenn wir alle oben genannten Gleichungen kombinieren, können wir die momentane Impedanz folgendermaßen ableiten:

Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(VδC/δt)=V/(VCLUδt/δt)=1/(CLU)

Es kann gesehen werden, dass die momentane Impedanz mit dem Kapazitätswert pro Einheit Übertragungsleitungslänge und der Geschwindigkeit der Signalübertragung in Beziehung steht. Diese kann auch künstlich als charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung definiert werden. Um die charakteristische Impedanz von der tatsächlichen Impedanz Z zu unterscheiden, wird der charakteristischen Impedanz ein Subscript 0 hinzugefügt. Die charakteristische Impedanz der Signalübertragungsleitung wurde aus der obigen Ableitung gewonnen:

Z0,1/(CLU)

Wenn der Kapazitätswert pro Einheitslänge der Übertragungsleitung und die Geschwindigkeit, mit der sich das Signal auf der Übertragungsleitung ausbreitet, konstant bleiben, hat die Übertragungsleitung eine konstante Kennimpedanz innerhalb ihrer Länge. Eine solche Übertragungsleitung wird als Übertragungsleitung mit kontrollierter Impedanz bezeichnet

Aus der obigen kurzen Beschreibung ist ersichtlich, dass einige intuitive Kenntnisse über die Kapazität mit dem neu entdeckten intuitiven Wissen über die charakteristische Impedanz verbunden werden können. Mit anderen Worten, wenn die Signalverdrahtung in der Leiterplatte erweitert wird, erhöht sich der Kapazitätswert pro Einheitslänge der Übertragungsleitung, und die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung kann verringert werden.

Spannendes Thema

Oft sind verwirrende Aussagen über die charakteristische Impedanz von Übertragungsleitungen zu hören. Nach der obigen Analyse sollten Sie nach dem Anschließen der Signalquelle an die Übertragungsleitung einen bestimmten Wert der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung sehen können, zum Beispiel 50Ω. Wenn Sie jedoch ein Ohmmeter an das gleiche 3-Fuß-lange RG58-Kabel anschließen, ist die gemessene Impedanz unendlich. Die Antwort auf die Frage ist, dass sich der Impedanzwert vom Frontend einer Übertragungsleitung mit der Zeit ändert. Wenn die Zeit für die Messung der Kabelimpedanz kurz genug ist, um mit der Zeit vergleichbar zu sein, die das Signal benötigt, um im Kabel hin und her zu gehen, können Sie die Überspannungsimedanz des Kabels oder die charakteristische Impedanz des Kabels messen. Wartet man jedoch genügend Zeit, wird ein Teil der Energie zurückgespiegelt und vom Messgerät erfasst. Zu diesem Zeitpunkt kann die Impedanzänderung erkannt werden. Normalerweise ändert sich in diesem Prozess die Impedanz hin und her bis zum Impedanzwert. Ein stabiler Zustand wird erreicht: Wenn das Ende des Kabels offen ist, ist der Endimpedanzwert unendlich, und wenn das Ende des Kabels kurzgeschlossen ist, ist der Endimpedanzwert Null.

Bei einem 3-Fuß langen RG58 Kabel muss die Impedanzmessung innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als 3ns abgeschlossen werden. Das ist, was das Time Domain Reflectometer (TDR) tun wird. TDR kann die dynamische Impedanz einer Übertragungsleitung messen. Wenn es ein Zeitintervall von 1s dauert, um die Impedanz eines 3-Fuß-langen RG58-Kabels zu messen, dann wurde das Signal während dieses Zeitintervalls millionenfach hin und her reflektiert, dann können Sie völlig anders als die riesige Änderung der Impedanz werden. Der Wert der Impedanz, das Endergebnis ist unendlich, weil der Anschluss des Kabels offen ist.

Das obige ist die Beschreibung der geregelten Impedanz PCB Design und die charakteristische Impedanz der Verbindungsleitung