Technologie PCB - Dix lignes directrices pour la conception de PCB haute vitesse: problèmes d'impédance caractéristique

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. On comprend tout d'abord la définition d'une ligne de transmission: une ligne de transmission est constituée de deux conducteurs d'une certaine longueur, l'un pour l'émission d'un signal et l'autre pour la réception d'un signal (rappelez - vous la notion de "boucle" plutôt que de "masse"). 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 constante l'impédance caractéristique de toute sa 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 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 micro - onde analogue à celle représentée sur la figure 1. Supposons qu'une onde de pas de tension de 1 volt soit ajoutée à cette ligne de transmission. Par example, une batterie de 1 volt est connectée à l'extrémité avant de la ligne de transmission (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 en fait la différence de tension entre la ligne de transmission et la boucle, et il peut être mesuré à partir de n'importe quel point de la ligne de transmission et de points voisins 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 émettrice a un excès de charge positive, tandis que 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.

Au cours des 0,01 nanosecondes suivantes, pour ajuster la tension d'une ligne de transmission de 0,06 pouce de 0 à 1 Volt, il est nécessaire d'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 de progrès, une certaine charge (± q) est obtenue de la batterie, et la puissance constante (± q) sortant de la batterie dans un intervalle de temps constant (± t) est un courant constant. Le courant négatif entrant dans la boucle est pratiquement le même que le courant positif sortant, et il n'est qu'à l'extrémité avant de l'onde signal. Le courant alternatif traverse un condensateur formé par les lignes supérieure et inférieure pour terminer tout le cycle.

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 d'une source d'alimentation, la ligne de transmission ressemble à une impédance dont la valeur d'impédance est constante et qui peut être appelée « impédance de surtension» de la ligne de transmission.

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

Du point de vue de la batterie, si le signal se propage à une vitesse constante le long de la ligne de transmission 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 contrôlable.

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 surviennent.

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, pour maintenir la stabilité de l'impédance instantanée dans la transmission du signal, d'autres méthodes sont utilisées, telles que la longueur de fil restante la plus courte, l'élimination des extrémités et l'utilisation de fils entiers.

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 à ce stade? 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 de « surtension» ou l'impédance caractéristique. Mais si vous attendez assez longtemps pour que l'énergie soit réfléchie et reçue, vous pouvez constater que l'impédance change après la mesure. En général, les valeurs d'impédance atteignent 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 vous mesurez l'impédance d'un câble à fibre optique de 3 pieds de long en 1 seconde, le signal sera réfléchi des millions de fois, créant ainsi une impédance de « surtension» différente.

Calcul de l'impédance caractéristique

Un 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 le courant 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 dérivée de la capacité de la ligne de transmission cl par unité de longueur et de la vitesse de transmission du signal v. la valeur de la longueur de la broche de l'unité est considérée comme la vitesse, puis multipliée par le temps t nécessaire à chaque étape pour obtenir la formule: ± C = Cl * v * (±) T.

En combinaison avec ce qui précède, nous pouvons obtenir l'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 distinguer 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.