Noticias de PCB - Introducción a la resistencia característica

En los últimos años, un problema cada vez más importante en el campo del diseño de alta velocidad es el diseño de la resistencia característica de la interconexión entre placas de circuito con impedancias controlables y placas de pcb. Sin embargo, para los ingenieros de diseño no electrónicos, este es también el problema más confuso e intuitivo. Incluso muchos ingenieros de diseño electrónico están confundidos al respecto. Esta información presentará la resistencia característica de manera breve e intuitiva, con la esperanza de ayudarle a comprender la calidad más básica de la línea de transmisión.

¿¿ qué es la línea de transmisión?

¿¿ qué es la línea de transmisión? Dos cables de cierta longitud forman una línea de transmisión. Uno de los conductores se convierte en un canal de transmisión de señal y el otro forma un camino de retorno de señal (aquí mencionamos el camino de retorno de señal, que en realidad es el suelo que todos suelen entender, pero para facilitar la descripción, se olvida temporalmente el concepto de tierra). En el diseño de placas de circuito multicapa, cada interconexión de PCB constituye un conductor en la línea de transmisión, que utiliza un plano de referencia adyacente como segundo conductor de la línea de transmisión o ruta de retorno de la señal. ¿¿ qué tipo de interconexión de PCB es una buena línea de transmisión? En general, si la resistencia característica es consistente en cualquier lugar de la interconexión del mismo pcb, tales líneas de transmisión se convertirán en líneas de transmisión de alta calidad. ¿¿ qué tipo de placa de circuito se llama placa de circuito de Resistencia controlable? La placa de circuito de resistencia controlada significa que la resistencia característica de todas las líneas de transmisión en el PCB cumple con las especificaciones objetivo unificadas. Esto generalmente significa que la resistencia característica de todas las líneas de transmisión está entre 25 y 70 μc.

Desde el punto de vista de la señal

La forma más eficaz de considerar la resistencia característica es comprobar lo que se ve cuando la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión. Para simplificar la discusión del problema, se supone que la línea de transmisión es de tipo MICROSTRIP y que la sección transversal de la línea de transmisión es consistente cuando la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión.

Agregue una señal de paso de 1v a la línea de transmisión. La señal de paso es una batería de 1v conectada por la parte delantera, conectada entre el cable de señal y la ruta de retorno. En el momento en que se encienda la batería, la forma de onda de voltaje de la señal se propagará en el dieléctrico a la velocidad de la luz, generalmente a una velocidad de aproximadamente 6 pulgadas por segundo (por qué la señal se propaga tan rápido en lugar de cerca de la velocidad de propagación electrónica de aproximadamente 1 cm / s, este es otro tema que ya no se presenta más). Por supuesto, las señales aquí todavía tienen una definición tradicional. La señal se define como la diferencia de voltaje entre la línea de señal y la ruta de retorno, que siempre se obtiene midiendo la diferencia de voltaje en cualquier punto de la línea de transmisión y la ruta de retorno de la señal adyacente.

La señal se transmite hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión a una velocidad de 6 pulgadas por nanosegundo. ¿¿ qué tipo de situaciones encontrará la señal durante la transmisión? Durante el intervalo inicial de 10 ps, la señal se extendió a una distancia de 0,06 pulgadas a lo largo de la línea de transmisión. Suponiendo que el tiempo de bloqueo esté en este momento, considere lo que sucedió en la línea de transmisión. Durante este recorrido, la transmisión de la señal establece una señal constante estable de amplitud de 1v entre esta parte de la línea de transmisión y el canal de retorno de la señal adyacente correspondiente. Esto significa que la carga positiva adicional y la carga negativa adicional se han acumulado en esta parte de la línea de transmisión y la ruta de retorno correspondiente para establecer este voltaje estable. Son estas diferencias de carga las que establecen y mantienen una señal de voltaje estable de 1v entre los dos conductores, y la señal de voltaje estable entre los conductores establece un capacitor entre los dos conductores.

En este momento, el segmento de transmisión de la línea de transmisión detrás de la matriz de ondas de señal no sabía que se propagaría la señal, por lo que el voltaje entre la línea de señal y la ruta de retorno se mantuvo en cero. Durante el siguiente intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se propagará a cierta distancia a lo largo de la línea de transmisión. A medida que la señal continúe circulando, se establecerá una línea de transmisión de 1v entre otro segmento de transmisión de 0,06 pulgadas de longitud y la ruta de retorno de la señal correspondiente. Voltaje de la señal. Para ello, es necesario inyectar una cierta cantidad de carga positiva en la línea de señal y la misma cantidad de carga negativa en la ruta de retorno de la señal. Para la propagación de la señal por cada 0,06 pulgadas a lo largo de la línea de transmisión, se inyectarán más cargas positivas en la línea de señal y más cargas negativas en la ruta de retorno de la señal. A intervalos de 10 ps, otra parte de la línea de transmisión se cargará a 1 V y la señal seguirá circulando en la dirección de la línea de transmisión.

¿De dónde vienen estas acusaciones? La respuesta proviene de la fuente de señal, es decir, la batería que utilizamos para proporcionar señales de paso y conectarse a la parte delantera de la línea de transmisión. Cuando la señal se propaga en la línea de transmisión, la señal carga constantemente el segmento de la línea de transmisión que transmite, asegurando que en cualquier lugar donde se transmita la señal, se establezca y mantenga un voltaje de 1v entre la línea de señal y la ruta de retorno. Cada intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se propagará a cierta distancia en la línea de transmisión y absorberá una cierta cantidad de carga eléctrica del sistema eléctrico. La batería proporciona una cierta cantidad de carga eléctrica al mundo exterior durante un período de tiempo para formar una corriente de señal constante. La corriente positiva fluye desde la batería a la línea de señal, mientras que la corriente negativa del mismo tamaño fluye a través de la ruta de retorno de la señal.

La corriente negativa que fluye a través de la ruta de retorno de la señal es exactamente la misma que la corriente positiva que fluye a través de la línea de señal de entrada. Además, en la posición de la matriz de ondas de señal, la corriente de CA fluye a través de un capacitor formado por la línea de señal y la ruta de retorno de la señal para completar el circuito de señal.

Resistencia característica de la línea de transmisión

Desde el punto de vista de la batería, una vez que el ingeniero de diseño conecta el cable de la batería a la parte delantera de la línea de transmisión, la corriente que sale de la batería siempre es constante y la señal de voltaje se mantiene estable. ¿Alguien puede preguntarse, ¿ qué tipo de componentes electrónicos se comportan así? Al agregar una señal de presión constante, mantendrá un valor de corriente constante, que por supuesto es una resistencia.

Para la batería, cuando la señal se propaga hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión, cada intervalo de tiempo de 10 ps se añadirá un nuevo segmento de línea de transmisión de 0,06 pulgadas, cargado a 1 V. La nueva carga adicional obtenida de la batería garantiza la estabilidad de la batería. La corriente extrae una corriente constante de la batería, la línea de transmisión es equivalente a una resistencia, y la resistencia es constante. Lo llamamos la resistencia a las oleadas de la línea de transmisión.

Del mismo modo, cuando la señal se propaga hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión, cada vez que se propaga una cierta distancia, la señal detecta constantemente el entorno eléctrico de la línea de señal e intenta determinar la resistencia de la señal cuando se propaga más hacia adelante. Una vez que la señal se agrega a la línea de transmisión y se propaga a lo largo de la línea de transmisión, la propia señal ha estado verificando cuánta corriente se necesita para cargar la línea de transmisión que se propaga a lo largo del intervalo de tiempo de 10 ps y cargar esta parte de la línea de transmisión a 1 V. Este es el valor de resistencia instantánea que queremos analizar.

Desde el punto de vista de la propia batería, si la señal se propaga a una velocidad constante en la dirección de la línea de transmisión y se supone que la línea de transmisión tiene una sección transversal uniforme, entonces la longitud de la transmisión de la señal es fija (por ejemplo, la distancia a la que la señal se propaga a lo largo del intervalo de tiempo de 10 ps), entonces es necesario obtener la misma electricidad de la batería para asegurarse de que esta línea de transmisión se carga al mismo voltaje de la señal. Cada vez que la señal se propaga a una distancia fija, la batería obtendrá la misma corriente y el voltaje de la señal se mantendrá consistente. Durante la propagación de la señal, la resistencia instantánea es la misma en todas partes de la línea de transmisión.

En el proceso de propagación de la señal a lo largo de la línea de transmisión, si la línea de transmisión tiene una velocidad de propagación de la señal consistente en todas partes y la capacidad por unidad de longitud es la misma, entonces la señal siempre verá una resistencia instantánea completamente consistente durante la propagación. Debido a que la resistencia se mantiene constante en toda la línea de transmisión, damos un nombre específico para representar esta característica o las características de una línea de transmisión específica, llamada resistencia característica de la línea de transmisión. La resistencia característica se refiere al valor de resistencia instantánea visto por la señal cuando se propaga a lo largo de la línea de transmisión. Si la resistencia característica vista por la señal se mantiene sin cambios cuando se propaga en la línea de transmisión, esta línea de transmisión se llama línea de transmisión de Resistencia controlada.

La resistencia característica de la línea de transmisión es el factor más importante en el diseño.

La resistencia instantánea o característica de la línea de transmisión es el factor más importante que afecta la calidad de la señal. Si la resistencia entre los intervalos de propagación de las señales adyacentes se mantiene sin cambios durante la propagación de la señal, la señal puede propagarse hacia adelante muy suavemente, y la situación se vuelve muy simple. Si hay diferencias entre los intervalos de transmisión de las señales adyacentes o si la resistencia cambia, parte de la energía en la señal se reflejará de nuevo y se destruirá la continuidad de la transmisión de la señal.

Para garantizar una calidad óptima de la señal, el objetivo del diseño de interconexión de la señal es garantizar que la resistencia vista por la señal durante la transmisión se mantenga lo más constante posible. Esto se refiere principalmente a mantener la resistencia característica de la línea de transmisión constante. Por lo tanto, es cada vez más importante diseñar y fabricar placas de PCB con resistencia controlable. En cuanto a cualquier otra técnica de diseño, como minimizar la longitud de los dedos, emparejamiento de terminales, conexión de cadena de crisantemo o conexión de rama, etc., se trata de garantizar que la señal pueda ver una resistencia instantánea consistente.

Cálculo de la resistencia característica

A partir del modelo simple anterior, podemos deducir el valor de la resistencia característica, es decir, el valor de la resistencia instantánea vista durante la transmisión de la señal. La resistencia Z que la señal ve en cada intervalo de propagación coincide con la definición básica de la resistencia

Z = V / I

El voltaje V aquí se refiere al voltaje de la señal aplicado a la línea de transmisión, y la corriente I se refiere a la carga total obtenida de la batería en cada intervalo de tiempo.

I = Q / t

La carga eléctrica que entra en la línea de transmisión (la carga finalmente proviene de la fuente de señal) se utiliza para cargar el capacitor "c" formado entre la línea de señal recién añadida y la ruta de retorno durante la propagación de la señal al voltaje v, por lo que

Q = v

Podemos asociar el capacitor causado por una cierta distancia durante la propagación de la señal con el valor de capacitor CL por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad u de la propagación de la señal en la línea de transmisión. Al mismo tiempo, la distancia de propagación de la señal es la velocidad u multiplicada por el intervalo de tiempo Delta T. Así que

C = CLU

Combinando todas las ecuaciones anteriores, podemos deducir que la resistencia instantánea es:

Z = V / I = V / (isla Q / isla) = v

Se puede ver que la resistencia instantánea está relacionada con el valor de la capacidad y la velocidad de transmisión de la señal por unidad de longitud de la línea de transmisión. Esto también puede definirse artificialmente como la resistencia característica de la línea de transmisión. Para separar la resistencia característica de la zona Z de la resistencia real, se agregó especialmente subíndice 0 a la resistencia característica. La resistencia característica de la línea de transmisión de señal se deriva de lo anterior:

0 - 1 / (clu)

Si el valor capacitivo por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad de propagación de la señal de la línea de transmisión se mantienen constantes, la línea de transmisión tiene una resistencia característica constante dentro de su longitud. Esta línea de transmisión se llama línea de transmisión de Resistencia controlada.

A partir de la breve descripción anterior, se puede ver que algunos conocimientos intuitivos sobre condensadores se pueden asociar con el conocimiento intuitivo de la resistencia característica recién descubierto. En otras palabras, si el cableado de la señal en el PCB se ensancha, el valor de la capacidad por unidad de longitud de la línea de transmisión aumentará y la resistencia característica de la línea de transmisión se puede reducir.

Temas interesantes

A menudo se escuchan algunas afirmaciones confusas sobre la resistencia característica de las líneas de transmisión. Según el análisis anterior, después de conectar la fuente de señal a la línea de transmisión, debe ser posible ver un valor de la resistencia característica de la línea de transmisión, como 50 mu. Sin embargo, si el ohmmeter se conecta al mismo cable rg58 de 3 pies de largo, la resistencia medida es infinita.

La respuesta a esta pregunta es que el valor de resistencia visto desde la parte delantera de cualquier línea de transmisión cambiará con el tiempo. Si el tiempo de medición de la resistencia del cable es lo suficientemente corto como para ser comparable al tiempo en que la señal se propaga de ida y vuelta en el cable, se puede medir la resistencia de aumento del cable o la resistencia característica del cable. Sin embargo, si esperas el tiempo suficiente, una parte de la energía se reflejará y será detectada por el instrumento de medición. En este momento, se pueden detectar cambios de resistencia. Por lo general, durante este proceso, la resistencia cambia de ida y vuelta hasta que se alcanza el valor de la resistencia. Alcanzar el Estado estable: si el extremo del cable está abierto, el valor final de resistencia es infinito, y si el extremo del cable está cortocircuito, el valor final de resistencia es cero.

Para los cables rg58 de 3 pies de largo, el proceso de medición de la resistencia debe completarse en un intervalo de tiempo inferior a 3 ns. Esta es la función del reflector de dominio de tiempo (tdr). el TDR puede medir la resistencia dinámica de la línea de transmisión. Si se tarda un segundo en medir la resistencia de un cable rg58 de 3 pies de largo, la señal se ha reflejado millones de veces de ida y vuelta en este intervalo de tiempo, entonces es posible que obtenga un valor de resistencia completamente diferente al gran cambio en la resistencia, y el resultado final es infinito, ya que los terminales del cable Están Abiertos.

Lo anterior es una introducción a la resistencia característica. El IPCB también proporciona tecnología de fabricación de PCB a los fabricantes de pcb.