Tecnología de PCB - ¿¿ qué pérdidas se producirán en la línea de transmisión de la placa de circuito?

La línea de transmisión PCB contiene al menos dos cables, uno para la señal y otro para la ruta de retorno. La compleja red de placas de circuito es una combinación de esta estructura de línea de transmisión más simple. Desde el punto de vista del diseño de pcb, conocer estas estructuras (microstrip, banda y coplanar) es bueno tanto para diseñadores como para fabricantes.

¿¿ cuál es la pérdida de la línea de transmisión?

La estructura de la línea de transmisión tiene diferentes mecanismos de pérdida. La pérdida total de la línea de transmisión de PCB se llama pérdida de inserción (isla ± t). Es la suma de la pérdida del conductor (isla ± c), la pérdida dieléctrica (isla ± d), la pérdida de radiación (isla ± r) y la pérdida de fuga (islas ± l).

Isla t = Isla C + Isla D + Isla R + Isla l

El impacto de la fuga es insignificante, ya que el PCB tiene una resistencia de volumen muy alta. La pérdida de radiación es la energía perdida del circuito debido a la radiación de radiofrecuencia. Esta pérdida depende de la frecuencia, la constante dieléctrica (dk) y el espesor. Para una línea de transmisión específica, la pérdida será mucho mayor a una frecuencia más alta. Para el mismo circuito, la pérdida de radiación será menor cuando se utilice un sustrato más delgado y un valor DK más alto.

En este artículo, solo discutiremos la pérdida de la línea de transmisión relacionada con la pérdida del conductor (isla ± c) causada por la resistencia del rastro de la señal y la pérdida dieléctrica (isla ± d) causada por el dieléctrico del pcb, que se mide junto con el factor de corte / disipación del ángulo de pérdida.

Isla t = Isla C + Isla D

Resistencia característica y mecanismo de pérdida

En nuestra anterior serie de líneas de transmisión de pcb, le proporcionamos la resistencia característica de la línea de transmisión (es la resistencia vista por la señal, independiente de la frecuencia):

R = Resistencia del cable por unidad de longitud (pul)

L = inductor del Circuito del conductor de la línea Pul

G = conducción entre la ruta de la señal y la ruta de retorno (debido al dieléctrico) Pul

C = pus capacitivo entre la ruta de la señal y la ruta de retorno (aumenta con el DK del dieléctrico)

Para líneas de transmisión uniformes, r, l, G y c son los mismos en cada punto, por lo que ZC tiene el mismo valor en cada punto de la línea de transmisión.

Para las señales sinusoidales con una frecuencia f (Ín = 2; f) que se propagan a lo largo de la línea, las expresiones de voltaje y corriente de diferentes puntos y tiempos se dan por la siguiente fórmula:

Entre ellos, Isla ± e Isla m2 son las partes reales e virtuales de la pérdida de la línea de transmisión de pcb, que se dan por la siguiente fórmula:

Con la frecuencia que nos interesa, r < L y g < c, por lo tanto:

Y: pérdida de la línea de transmisión de pcb:

Esto significa que las ondas propagan la pérdida de la línea de transmisión de PCB con un retraso de propagación por unidad de longitud y se atenuan a lo largo de la línea.

El coeficiente de atenuación de la señal de la línea de transmisión con longitud L es:

Los factores de atenuación o pérdida de señal suelen expresarse en db.

Por lo tanto, la pérdida de DB es proporcional a la longitud de la línea. Por lo tanto, podemos expresar lo anterior como una pérdida de DB por unidad de longitud:

Normalmente omitimos el signo menos y recordamos que es una pérdida de db, siempre restada de la intensidad de la señal en unidades de db.

Lo anterior también se conoce como la pérdida total de inserción por unidad de longitud de la línea de transmisión, escribiendo:

Ahora, el componente R / Z0 de la pérdida es proporcional a R (resistencia por unidad de longitud), que se llama pérdida del conductor y es causada por la resistencia del conductor que forma la línea de transmisión. Está representado por "alpha" c. La pérdida de la parte gz0 es proporcional a la conductividad G del material dieléctrico, llamada pérdida dieléctrica, representada por "alfa" D.

Entre ellos, R es la resistencia de cada centímetro de cable.

Ahora, hay dos conductores en la línea de transmisión de pcb: el rastro de señal y el camino de retorno.

Por lo general, la ruta de retorno es una superficie plana, sin embargo, la corriente de retorno no se distribuye uniformemente sobre una superficie plana. podemos demostrar que la mayor parte de la corriente se concentra en una banda que tiene tres veces más ancho que la señal, justo debajo de la señal.

Resistencia del rastro de señal en la línea de transmisión de PCB

¿¿ toda la sección transversal del rastro de la señal participa por igual en la corriente de la señal? La respuesta es: no siempre, depende de la frecuencia de la señal.

A una frecuencia extremadamente baja de hasta aproximadamente 1 mhz, podemos asumir que todo el conductor está involucrado en la corriente de la señal, por lo que el rsig es el mismo que la resistencia "alfa" C del rastro de la señal, es decir:

Í = resistencia eléctrica del cobre, en Ohm pulgadas, pérdida de la línea de transmisión de PCB

W = ancho de la traza, en pulgadas (por ejemplo: 5 mils, o 0005 "traza 50 ohm)

T = espesor de la traza, en pulgadas (generalmente de media onza a 10 onzas, es decir, de 00007 a 00014 pulgadas)

Por ejemplo, para rastros de 5 milímetros de ancho:

Para nuestro propósito, nos interesa la resistencia de ca a la frecuencia F. aquí, el efecto cutáneo entra en la imagen. Según el efecto de la piel, la corriente con frecuencia f solo se propaga a una cierta profundidad, llamada Profundidad de la piel del conductor.

Podemos ver desde arriba que a 4 mhz, la profundidad de la piel es igual al espesor del cobre de 1 oz, y a 15 mhz, es igual al espesor del cobre de media oz. Por encima de los 15 mhz, la profundidad de la corriente de la señal es solo inferior a 0,7 milímetros y disminuye a medida que aumenta la frecuencia.

Debido a que estamos aquí preocupados por el comportamiento de alta frecuencia, podemos asumir con tranquilidad que t es mayor que la profundidad de la piel a la frecuencia de interés, por lo que usaremos la profundidad de la piel en lugar de T en la fórmula de resistencia a la señal. Por lo tanto, ahora tenemos:

Usamos 2 islas en lugar de islas porque la corriente utiliza todas las periféricas del conductor. técnicamente, 2w se puede reemplazar por 2 (w + t).

El espesor de propagación de la señal de retorno solo a lo largo de la superficie más cercana al rastro de la señal es la isla, y su resistencia puede ser aproximadamente:

La rugosidad de la superficie del cobre en la interfaz conductor - dieléctrico conduce a un aumento de la pérdida del conductor.

Es importante saber que en las placas de circuito, la "interfaz conductor - dieléctrico de cobre" nunca es Lisa (si es lisa, el conductor de cobre se desprende fácilmente de la superficie dieléctrica); Se ruge en una estructura dental para aumentar la resistencia de desprendimiento del conductor en la placa de circuito.