L'actualité PCB - Problèmes d'impédance caractéristique dans la conception à grande vitesse

Dans la conception à grande vitesse, l'impédance caractéristique des cartes et des circuits à impédance contrôlable dérange de nombreux ingénieurs chinois. Cet article présente les propriétés fondamentales, les méthodes de calcul et de mesure de l'impédance caractéristique par une approche simple et intuitive.

Dans la conception à grande vitesse, l'impédance caractéristique des plaques et des lignes à impédance contrôlable est l'un des problèmes les plus importants et les plus courants. Tout d'abord, comprendre la définition d'une ligne de transmission: une ligne de transmission est composée de deux fils d'une certaine longueur, l'un pour l'émission et l'autre pour la réception du signal (rappelez - vous la notion de "boucle" plutôt que de "Terre"). Dans une plaque multicouche, chaque ligne fait partie intégrante d'une ligne de transmission et un plan de référence adjacent peut servir de deuxième ligne ou de boucle. La clé pour qu'une ligne devienne une ligne de transmission "haute performance" est de maintenir son impédance caractéristique constante tout au long de la ligne.

La clé pour qu'une carte devienne une « carte à impédance contrôlable» est de faire en sorte que l'impédance caractéristique de tous les circuits atteigne une valeur spécifiée, généralement comprise entre 25 ohms et 70 ohms. Dans une carte PCB multicouche, la clé d'une bonne performance de ligne de transmission est de maintenir son impédance caractéristique constante tout au long de la ligne.

Mais quelle est l'impédance caractéristique? Le moyen le plus simple de comprendre l'impédance caractéristique est d'observer ce que rencontre le signal lors de sa transmission. Lorsque l'on se déplace le long d'une ligne de transmission de même section transversale, il s'agit d'une transmission hyperfréquence analogue à celle représentée sur la figure 1. Supposons qu'une onde de voltage de 1 volt soit ajoutée à cette ligne de transmission. Par example, une cellule de 1 volt est connectée à l'extrémité avant de la ligne de transmission (elle est située entre la ligne de transmission et la boucle). Une fois connecté, le signal d'onde de tension se propage le long de la ligne à la vitesse de la lumière. Lors de la propagation, sa vitesse est généralement d'environ 6 pouces par nanoseconde. Bien entendu, ce signal est bien la différence de tension entre la ligne de transmission et la boucle, qui peut être mesurée à partir d'un point quelconque de la ligne de transmission et d'un point voisin de la boucle. La figure 2 est une représentation schématique de la transmission d'un signal de tension.

L'approche de Zen est de "générer un signal" d'abord, puis de se propager le long de cette ligne de transmission à une vitesse de 6 pouces par nanoseconde. La première 0,01 nanoseconde avance de 0,06 pouce. A ce moment, la ligne d'envoi a un excès de charge positive et la boucle a un excès de charge négative. C'est la différence entre ces deux charges qui maintient une différence de tension de 1 volt entre les deux conducteurs. Ces deux conducteurs forment un condensateur.

Pour régler la tension de 0 à 1 volt sur une ligne de transmission de 0,06 pouce au cours des 0,01 nanosecondes suivantes, il faut ajouter une charge positive à la ligne de transmission et une charge négative à la ligne de réception. Pour chaque 0,06 pouce déplacé, plus de charges positives doivent être ajoutées à la ligne de transmission et plus de charges négatives à la boucle. Toutes les 0,01 nanoseconde, une autre partie de la ligne de transmission doit être chargée, puis le signal commence à se propager le long de cette partie. La charge provient de la batterie à l'extrémité avant de la ligne de transmission. En se déplaçant le long de cette ligne, il charge une partie continue de la ligne de transmission, créant ainsi une différence de tension de 1 volt entre la ligne de transmission et la boucle. Pour chaque 0,01 nanoseconde d'avance, la batterie acquiert une certaine charge (± q), une puissance constante (± q) sortant de la batterie sur un intervalle de temps constant (± t). Le courant négatif entrant dans la boucle est pratiquement le même que le courant positif sortant, il est juste à l'extrémité avant de l'onde signal. Le courant alternatif traverse le condensateur formé par les lignes supérieure et inférieure, mettant fin à l'ensemble du cycle. Ce processus est illustré à la figure 3.

Impédance de ligne

Pour les batteries, des segments de ligne de transmission continus de 0,06 pouce sont chargés toutes les 0,01 nanoseconde lorsque le signal se propage le long de la ligne de transmission. Lorsqu'un courant constant est obtenu à partir de l'alimentation, la ligne de transmission apparaît comme une impédance dont la valeur d'impédance est constante, ce qui peut être appelé « impédance de surtension» de la ligne de transmission.

De même, lorsque le signal parcourt la ligne en 0,01 nanoseconde, quel courant peut augmenter la tension de cette étape à 1 volt avant la prochaine étape? Cela concerne la notion d'impédance instantanée.

Du point de vue de la batterie, si le signal se propage le long de la ligne de transmission à une vitesse constante et que la ligne de transmission a la même section, la même quantité de charge est nécessaire à chaque pas en 0,01 nanoseconde pour produire la même tension de signal. En parcourant cette ligne, elle produit la même impédance instantanée, qui est considérée comme une caractéristique de la ligne de transmission, appelée impédance caractéristique. Si l'impédance caractéristique du signal est la même à chaque étape du processus de transmission, la ligne de transmission peut être considérée comme une ligne de transmission à impédance commandable.

L'impédance instantanée ou l'impédance caractéristique est très importante pour la qualité de la transmission du signal. Pendant le transfert, si l'impédance de l'étape suivante est égale à celle de l'étape précédente, le travail peut se dérouler en douceur, mais si l'impédance change, certains problèmes peuvent survenir.

Pour une qualité de signal optimale, les connexions internes sont conçues dans le but de maintenir l'impédance aussi stable que possible pendant la transmission du signal. Tout d'abord, l'impédance caractéristique de la ligne de transmission doit rester stable. La réalisation de plaques à impédance contrôlable devient donc de plus en plus importante. En outre, d'autres méthodes telles que la longueur restante minimale du fil, le retrait des extrémités et l'utilisation de fils entiers sont utilisées pour maintenir la stabilité de l'impédance instantanée dans la transmission du signal.

Calcul d'impédance caractéristique

Modèle d'impédance caractéristique simple: z = V / I, z représentant l'impédance à chaque étape de la transmission du signal, V la tension à l'entrée du signal dans la ligne de transmission et I le courant. I = ± Q / ± T, q représentant la quantité d'électricité et t le temps de chaque pas.

Électricité (de la batterie): ± q = ± c * V, C représentant la capacité et V la tension. La capacité peut être déduite de la capacité cl par unité de longueur de la ligne de transmission et de la vitesse de transmission du signal v. la valeur de la longueur d'une broche unitaire est considérée comme la vitesse, puis multipliée par le temps t nécessaire à chaque pas pour obtenir la formule: ± C = Cl * v * (±) T.

En combinaison avec les éléments ci - dessus, nous pouvons obtenir une impédance caractéristique:

Z = V / I = V / (± Q / ± t) = V /

On voit que l'impédance caractéristique est liée à la capacité par unité de longueur de la ligne de transmission et à la vitesse de transmission du signal. Pour séparer l'impédance caractéristique de l'impédance réelle Z, on ajoute 0 après Z. l'impédance caractéristique de la ligne de transmission est: Z0 = 1 / (CL * v)

Si la capacité par unité de longueur de la ligne de transmission et la vitesse de transmission du signal restent constantes, l'impédance caractéristique de la ligne de transmission reste également inchangée. Cette explication simple pourrait relier le bon sens de la capacité à la théorie nouvellement découverte de l'impédance caractéristique. Si l'on augmente la capacité par unité de longueur de la ligne de transmission, par example en épaississant la ligne de transmission, on peut diminuer l'impédance caractéristique de la ligne de transmission.

Mesure d'impédance caractéristique

Lorsque la batterie est connectée à la ligne de transmission (en supposant une impédance de 50 ohms à ce moment - là), connectez l'ohmmètre à un câble optique rg58 de 3 pieds de long. Comment mesurer l'impédance infinie en ce moment? L'impédance de toute ligne de transmission est liée au temps. Si vous mesurez l'impédance d'un câble à fibre optique en moins de temps que la réflexion d'un câble à fibre optique, vous mesurez l'impédance "surtension" ou l'impédance caractéristique. Mais si vous attendez assez longtemps jusqu'à ce que l'énergie soit réfléchie et reçue, l'impédance change après la mesure. En général, la valeur d'impédance atteint une valeur limite stable après rebond vers le haut et vers le bas.

Pour un câble optique de 3 pieds, la mesure d'impédance doit être effectuée en 3 nanosecondes. Ceci est possible avec le TDR (Time Domain Reflectometer), qui mesure l'impédance dynamique d'une ligne de transmission. Si l'impédance d'un câble à fibre optique de 3 pieds est mesurée en 1 seconde, le signal sera réfléchi des millions de fois à l'avenir, créant ainsi une impédance de « surtension» différente.

Ce qui précède est une introduction au problème de l'impédance caractéristique dans la conception à grande vitesse. IPCB fournit également la technologie de fabrication de PCB aux fabricants de PCB.