Leiterplattentechnisch - Zehn von High Speed PCB Design Guide: Charakteristisches Impedanzproblem

In Hochgeschwindigkees Design, die Charakteristttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttik Impedanz von die steuerbar Impedanz Brett und Schaltung Probleme viele Chinesisch Ingenieure. Dies Artikel führt ein die GrundlegEndee Eigenschaften, Berechnung und Messung Methoden von Charakteristik Impedanz durch a einfach und intuesiv Methode.

In HochgeschwindigkeseineDesign, die Charakteristik Impedanz von steuerbar Impedanz Bretts und Linien is eine von die die meisten wichtig und häufig Probleme. Erstens verstehen die Definesion von a Übertragung Zeile: a Übertragung Linie is komponiert von zwiri Leeser mes a am bestenimmte Länge, eine Leeser is verwEndeet zu sEndeen Signale, und die undere is verwEndeet zu empfangen Signale (remember die Konzept von "Schlewirnne" stbeitdessen von "ground"). In a mehrschichtig Brett, jede Linie is a Komponente von die Übertragung Linie, und die angrenzEnde Referenz Flugzeug kann be verwendet als die zweite Linie oder Schlewenne. Die Schlüssel zu a Linie werden a "gut Leistung" Übertragung Linie is zu behalten seine Charakteristik Impedanz konstant durchgehend die Linie.

Die Schlüssel zu die Schaltung Brett werden a "steuerbar Impedanz Brett" is zu machen die Charakteristik Impedanz von alle Schaltungen treffen a spezwenniziert Wert, nodermalerweise zwischen 25 ohms und 70 ohms. In a mehrschichtig Schaltung Brett, die Schlüssel zu gut Übertragung Linie Leistung is zu behalten seine Charakteristik Impedanz konstant durchgehend die Linie.

Aber wals ist die charakteristische Impedanz? Der einfachste Weg, die charakteristische Impedanz zu verstehen, ist zu betrachten, wals dals Signal während der Übertragung trwennft. Wenn Sie sich entlang einer Übertragungsleitung mit demselben Querschnitt bewegen, ähnelt dies der Mikrowellenübertragung in Abbildung 1. Nehmen wir an, eine Spannungsschrittwelle von 1 Volt wird dieser Übertragungsleitung hinzugefügt. Zum Beispiel ist eine 1-Volt-Bbeiterie mit dem vBestellungen Ende der Übertragungsleitung verbunden (sie befindet sich zwischen der Übertragungsleitung und der Schleife). Einmal angeschlossen, wundert dals SpannungswellenSignal entlang der Linie mit Lichtgeschwindigkeit. Vermehrung, seine Geschwindigkeit ist nodermalerweise etwa 6 Zoll/Nanosekunde. Nbeiürlich ist dieses Signal tbeisächlich die Spannungsdifferenz zwischen der Übertragungsleitung und der Schleife, und es kann von jedem Punkt der Übertragungsleitung und dem benachbarten Punkt der Schleife gemessen werden. Abb. 2 ist ein schembeiisches Diagramm der Übertragung des SpannungsSignals.

Zens Methode besteht darin, zuerst "ein Signal zu erzeugen" und es dann entlang dieser Übertragungsleitung mit einer Geschwindigkeit von 6 Zoll pro Nanosekunde zu verbreiten. Die erste 0.01 Nanosekunde rückt 0.06 Zoll voran. Zu diesem Zeitpunkt hbei die Sendelinie überschüssige positiv Ladung und die Schleife überschüssige negbeiiv Ladung. Es ist die Differenz zwischen diesen beiden Arten von Ladungen, die die 1-Volt-Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern beibehält. Und diese beiden Leiter bilden einen Kondensazur.

In der nächsten 0.01 Nanosekunde, um die Spannung einer 0.06 Zoll Übertragungsleitung von 0 bis 1 Volt einzustellen, ist es notwendig, etwals positiv Ladung zur Sendeleitung und etwals negbeiiv Ladung zur Empfangsleitung hinzuzufügen. Für jeden 0.06 Zoll Bewegung muss mehr positiv Ladung zur Übertragungsleitung hinzugefügt werden, und mehr negativ Ladung muss der Schleife hinzugefügt werden. Alle 0,01 Nanosekunden muss ein underer Abschnitt der Übertragungsleitung geladen werden, und dann beginnt sich dals Signal entlang dieses Abschnitts zu verbreiten. Die Ladung kommt von der Batterie am vBestellungen Ende der Übertragungsleitung. Wenn er sich entlang dieser Leitung bewegt, lädt er den kontinuierlichen Teil der Übertragungsleitung auf und bildet so eine Spannungsdifferenz von 1 Volt zwischen der Übertragungsleitung und der Schleife. Jede 0,01 Nanosekunde des Fürtschritts wird etwals Ladung (((±Q))) von der Batterie erhalten, und die konstante Leistung (±Q), die aus der Batterie in einem konstanten ZeitIntervalll ((±t)) fließt, ist ein konstanter Strom. Der negativ Strom, der in die Schleife fließt, ist eigentlich derselbe wie der positiv Strom, der herausfließt, und er befindet sich gerade am vorderen Ende der Signalwelle. Der Wechselstrom fließt durch den Kondensazur, der von den oberen und unteren Leitungen gebildet wird, um den gesamten Zyklus zu beenden.

Leitungsimpuls

Bei Batterien, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung ausbreitet, wird das kontinuierliche 0,06 Zoll ÜbertragungsleitungsSegment alle 0,01 Nanosekunden aufgeladen. Wenn ein konstanter Strom von der Stromversorgung erhalten wird, sieht die Übertragungsleitung wie eine Impedanz aus, und ihr Impedanzwert ist konstant, was als "Szußimpedanz" der Übertragungsleitung bezeichnet werden kann.

Wenn sich ein Signal entlang der Linie ausbreitet, vor dem nächsten Schritt, innerhalb von 0,01 Nanosekunden, welcher Strom kann die Spannung dieses Schrittes auf 1 Volt erhöhen? Dies beinhaltet das Konzept der momentanen Impedanz.

Aus der Perspektive der Batterie, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung mit einer stabilen Geschwindigkeit ausbreitet und die Übertragungsleitung den gleichen Querschnitt hat, wird für jeden Schritt in 0,01 Nanosekunden die gleiche Ladung benötigt, um die gleiche Signalspannung zu erzeugen. Wenn sie entlang dieser Linie geht, erzeugt sie die gleiche momentane Impedanz, die als ein Merkmal der Übertragungsleitung angesehen wird und die charakteristische Impedanz genannt wird. Wenn die charakteristische Impedanz des Signals in jedem Schritt des Übertragungsprozesses gleich ist, kann die Übertragungsleitung als steuerbsind Impedanz-Übertragungsleitung angesehen werden.

Momentane Impedanz oder charakteristische Impedanz ist sehr wichtig für die Qualität der Signalübertragung. Wenn die Impedanz des nächsten Schrittes während des Übertragungsprozesses gleich der Impedanz des vorherigen Schrittes ist, kann die Arbeit reibungslos ablaufen, aber wenn sich die Impedanz ändert, treten einige Probleme auf.

In order zu erreichen die best Signal Qualität, die Design Ziel von die intern Verbindung is zu behalten die Impedanz as stabil as möglich während die Signal Übertragung Prozess. Erstens, die Charakteristik Impedanz von die Übertragung Linie muss be gehalten stabil. Dierefüre, die Produktion von steuerbar Impedanz Bretts bekommt mehr und mehr wichtig. In Hinzufügenition, odier Methodes solche as die kürzeste verbleibende Draht Länge, end Entfernung und ganz Draht Verwendung sind auch verwendet zu aufrechterhalten die Stabilität von die svonort Impedanz in Signal Übertragung.

Messung der charakteristischen Impedanz

Wenn die Batterie an die Übertragungsleitung angeschlossen ist (vorausgesetzt, die Impedanz beträgt zu diesem Zeitpunkt 50-Ohms), schließen Sie den Ohmmeter an das 3-Fuß-lange optische RG58-Kabel an. Wie kann man die unendliche Impedanz zu diesem Zeitpunkt messen? Die Impedanz einer Übertragungsleitung hängt von der Zeit ab. Wenn Sie die Impedanz des Glasfaserkabels in einer kürzeren Zeit als die Reflexion des Glasfaserkabels messen, messen Sie die "Szußimpedanz" oder die charakteristische Impedanz. Wartet man aber lange genug, bis die Energie zurückgespiegelt und empfangen wird, ändert sich die Impedanz nach der Messung. Im Allgemeinen erreicht der Impedanzwert einen stabilen Grenzwert nach dem Zurückprallen auf und ab.

Bei einem 3-Fuß langen optischen Kabel muss die Impedanzmessung innerhalb von drei Nanosekunden abgeschlossen werden. TDR (Time Bereich Refleczumeter) kann dies tun, es kann die dynamische Impedanz der Übertragungsleitung messen. Wenn Sie die Impedanz eines 3-Fuß-Glasfaserkabels innerhalb einer Sekunde messen, wird das Signal millionenfach hin und her reflektiert, was zu unterschiedlichen "Szußimpedanzen" führt.

Berechnung der charakteristischen Impedanz

Einfaches charakteristisches Impedanzmodell: Z=V/I, Z repräsentiert die Impedanz jedes Schrittes im Signalübertragungsprozess, V repräsentiert die Spannung, wenn das Signal in die Übertragungsleitung eintritt, und I repräsentiert den Strom. I=Q/±t, Q steht für Elektrizität und t für die Zeit jedes Schrittes.

Strom (aus Batterie): ±Q=±C*V, C steht für Kapazität und V für Spannung. Die Kapazität kann aus der Übertragungsleitungskapazität pro Einheseinelänge CL und der Signalübertragungsgeschwindigkeit v abgeleitet werden. Der Längenwert des Einheitsstifts wird als Geschwindigkeit betrachtet und dann mit der für jeden Schritt erfürderlichen Zeit t multipliziert, dann wird die Fürmel erhalten: ±C=CL*v*(±)t.

Kombinieren Sie die oben genannten Elemente, können wir die charakteristische Impedanz erhalten:

Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C*V/±t)=V/(CL*v*(±)t*V/±t)=1/(CL *v)

Es kann gesehen werden, dass die charakteristische Impedanz mit der Einheitslängenkapazität der Übertragungsleitung und der Signalübertragungsgeschwindigkeit zusammenhängt. Um die charakteristische Impedanz von der tatsächlichen Impedanz Z zu unterscheiden, Hinzufügenieren wir 0 nach Z. Die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ist: Z0=1/(CL*v)

Wenn die Kapazität pro Einheit Länge von die Übertragung Linie und die Signal Übertragung Geschwindigkeit bleiben unändernd, die Charakteristik Impedanz von die Übertragung Linie auch Reste unverändert. Dies einfach Erklärung kann verbinden häufig Sinn von Kapazität mit die neu entdeckt Charakteristik Impedanz dieory. Wenn die Kapazität pro Einheit Länge von die Übertragung Linie is Zunahmed, solche as Verdickung die Übertragung Linie, die charakteristische Impedanz von die Übertragung Linie kann be reduziert.