Leiterplattentechnisch - Analyse der charakteristischen Impedanz

In den letzten Jahren, an increasingly important issue in die field of high-speed Design ist die Design der Schaltung Bretts with controlled impedance and the characteristic impedance of interconnect lines on the circuit Brett. Allerdings, für nichtelektronische Design Ingenieure, Dies ist auch das verwirrendste und am wenigsten intuitive Problem. Auch viele elektronische Design Ingenieure sind darüber ebenso verwirrt. Diese Informationen geben eine kurze und intuitive Einführung in die charakteristische Impedanz, Wir hoffen, Ihnen zu helfen, die grundlegendste Qualität der Übertragungsleitung zu verstehen.

Was ist eine Übertragungsleitung?

Was ist eine Übertragungsleitung? Zwei Leiter mit einer bestimmten Länge bilden eine Übertragungsleitung. Einer der Leiter wird zum Signalausbreitungskanal, während der andere Leiter den Signalrückgabeweg bildet (hier erwähnen wir den Signalrückgabeweg, der eigentlich die Masse ist, die normalerweise jeder versteht, aber der Bequemlichkeit der Beschreibung halber vergessen Sie die Masse vorerst. Bei einem mehrschichtigen LeiterplattenDesign stellt jede Leiterplattenverbindungsleitung einen Leiter in der Übertragungsleitung dar, und die Übertragungsleitung verwendet die benachbarte Bezugsebene als zweiten Leiter- oder Signalrücklaufweg der Übertragungsleitung. Welche Art von PCB-Verbindungsleitung ist eine gute Übertragungsleitung? Im Allgemeinen, wenn die charakteristische Impedanz überall auf derselben Leiterplattenverbindungsleitung konsistent ist, wird eine solche Übertragungsleitung zu einer hochwertigen Übertragungsleitung. Welche Art von Leiterplatte wird eine Leiterplatte mit kontrollierter Impedanz genannt? Eine Leiterplatte mit kontrollierter Impedanz bedeutet, dass die charakteristische Impedanz aller Übertragungsleitungen auf der Leiterplatte eine einheitliche Zielspezifikation erfüllt. Normalerweise liegt die charakteristische Impedanz aller Übertragungsleitungen zwischen 25Ω und 70Ω.

Aus der Perspektive des Signals

Der effektivste Weg, die charakteristische Impedanz zu betrachten, besteht darin, zu betrachten, was das Signal selbst sieht, wenn es sich entlang der Übertragungsleitung ausbreitet. Um die Diskussion des Problems zu vereinfachen, wird angenommen, dass die Übertragungsleitung ein Mikrostreifentyp ist und der Querschnitt der Übertragungsleitung konsistent ist, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung ausbreitet.

Fügen Sie ein Schrittsignal mit einer Amplitude von 1V zur Übertragungsleitung hinzu. Das Schrittsignal ist eine 1V-Batterie, die durch das Frontend verbunden und zwischen der Signalleitung und dem Rückweg verbunden ist. Im Moment, wenn die Batterie eingeschaltet wird, bewegt sich die Signalspannungswellenform im Dielektrikum mit Lichtgeschwindigkeit, normalerweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 6 Zoll/ns (warum das Signal so schnell reist, anstatt nahe der Elektronenausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 1cm/s, ist dies ein anderes Thema, Keine weitere Einführung hier). Natürlich hat das Signal hier noch eine herkömmliche Definition. Das Signal ist definiert als die Spannungsdifferenz zwischen der Signalleitung und dem Rückweg, die immer durch Messung der Spannungsdifferenz zwischen einem beliebigen Punkt auf der Übertragungsleitung und dem benachbarten Signalrückweg erhalten wird.

Das Signal wird entlang der Übertragungsleitung mit einer Geschwindigkeit von 6 Zoll/ns weitergeleitet. Auf welche Situation wird das Signal während der Übertragung stoßen? Im ersten 10ps Zeitintervall reiste das Signal eine Entfernung von 0,06 Zoll entlang der Übertragungsleitung. Angenommen, die Sperrzeit ist in diesem Moment, betrachten Sie, was auf der Übertragungsleitung passiert. Über diese Wegstrecke stellt die Übertragung des Signals ein stabiles konstantes Signal mit einer Amplitude von 1V zwischen diesem Abschnitt der Übertragungsleitung und dem entsprechenden benachbarten Signalrückkanal her. Dies bedeutet, dass zusätzliche positive und zusätzliche negative Ladungen auf diesem Abschnitt der Übertragungsleitung und dem entsprechenden Rückweg angesammelt wurden, um diese stabile Spannung herzustellen. Es ist die Differenz dieser Ladungen, die ein stabiles 1-V-Spannungssignal zwischen den beiden Leitern herstellt und aufrechterhält, und das stabile Spannungssignal zwischen den Leitern stellt eine Kapazität zwischen den beiden Leitern her.

Das Übertragungsleitungssegment hinter der Signalwellenfront auf der Übertragungsleitung ist nicht klar, dass es ein Signal zur Ausbreitung gibt, so dass die Spannung zwischen der Signalleitung und dem Rückweg immer noch bei Null gehalten wird. Im nächsten 10ps Zeitintervall wird das Signal eine bestimmte Strecke entlang der Übertragungsleitung zurücklegen. Dadurch, dass sich das Signal weiter ausbreitet, wird eine 1V-Übertragungsleitung zwischen einem anderen Übertragungsleitungssegment mit einer Länge von 0,06 Zoll und dem entsprechenden Signalrücklaufpfad aufgebaut. Signalspannung. Dazu muss eine bestimmte Menge positiver Ladung in die Signalleitung injiziert werden, und die gleiche Menge negativer Ladung muss in den Signalrücklaufpfad injiziert werden. Für jeden 0,06 Zoll Signalausbreitung entlang der Übertragungsleitung werden mehr positive Ladungen in die Signalleitung injiziert, und mehr negative Ladungen werden in den Signalrücklaufpfad injiziert. Jedes 10ps Zeitintervall wird ein anderer Abschnitt der Übertragungsleitung auf 1 V geladen, und das Signal wird weiter entlang der Richtung der Übertragungsleitung ausbreiten.

Woher kommen diese Anklagen? Die Antwort kommt von der Signalquelle, die die Batterie ist, die wir verwenden, um das Schrittsignal bereitzustellen und mit dem vorderen Ende der Übertragungsleitung zu verbinden. Während sich das Signal auf der Übertragungsleitung ausbreitet, lädt das Signal kontinuierlich das Übertragungsleitungssegment auf, durch das es sich ausbreitet, und stellt sicher, dass eine Spannung von 1 V zwischen der Signalleitung und dem Rückweg hergestellt und aufrechterhalten wird, wo immer das Signal übertragen wird. Jedes 10ps Zeitintervall legt das Signal eine bestimmte Strecke auf der Übertragungsleitung zurück und zieht eine bestimmte Menge an Ladung δQ aus dem Stromnetz. Die Batterie liefert innerhalb eines Zeitraums eine gewisse Ladung δQ nach außen, um einen konstanten Signalstrom zu bilden. Ein positiver Strom fließt von der Batterie in die Signalleitung, und gleichzeitig fließt ein negativer Strom gleicher Größe durch den Signalrücklauf.

Der negative Strom, der durch den Signalrücklauf fließt, ist genau derselbe wie der positive Strom, der in die Signalleitung fließt. Darüber hinaus fließt der Wechselstrom an der Position der Signalwellenfront durch den Kondensator, der durch die Signalleitung und den Signalrücklauf gebildet wird, und vervollständigt die Signalschleife.

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.

Was die Batterie betrifft, 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, die sich im 10ps-Zeitintervall ausbreitet, aufzuladen und diesen Teil des Übertragungsleitungssegments auf 1V aufzuladen. 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 der wichtigste Faktor in der Design

Die momentane Impedanz oder charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ist der wichtigste 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. Wenn es einen Unterschied zwischen benachbarten Signalausbreitungsintervallen gibt oder sich die Impedanz ändert, wird ein Teil der Energie im Signal zurückgespiegelt, und die Kontinuität der Signalübertragung wird ebenfalls zerstört.

Um die beste Signalqualität zu gewährleisten, ist das Ziel des SignalverbindungsDesigns sicherzustellen, dass die vom Signal während der Übertragung gesehene Impedanz so konstant wie möglich bleibt. Dies bezieht sich hauptsächlich auf das Halten der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung konstant. Daher wird das Design und die Herstellung von Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz immer wichtiger. Wie bei allen anderen Design-Tricks, wie Minimierung der Fingerlänge, Klemmenabgleich, Daisy-Chain-Verbindung oder Zweigverbindung usw., sollen alle sicherstellen, dass das Signal eine konsistente 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. Also

δC,(CL U) 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/(V CL U δt /δt)=1/(CL U)

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/(CL U)

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 eine kontrollierte Impedanz-Übertragungsleitung genannt.

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.