Technologie PCB - Ce qui se passe avec les lignes de transmission de la carte

La ligne de transmission PCB contient au moins deux fils, l'un pour le signal et l'autre pour le chemin de retour. Un réseau complexe de cartes est une combinaison de cette structure de ligne de transmission plus simple. Du point de vue de la conception de PCB, la compréhension de ces structures (microrubans, rubans et coplanaires) est bénéfique pour les concepteurs et les fabricants.

Quelles sont les pertes sur les lignes de transmission?

Les structures de lignes de transmission ont des mécanismes de perte différents. La perte totale d'une ligne de transmission PCB est appelée perte d'insertion (Isla ± t). C'est la somme des pertes de conducteur (Isla ± c), des pertes diélectriques (Island ± d), des pertes radiatives (Island ± R) et des pertes de fuite (Island ± l).

île t = île C + île d + île r + île l

L'impact des fuites est négligeable car les PCB ont une résistance volumique très élevée. Les pertes radiatives sont l'énergie perdue d'un circuit en raison du rayonnement RF. Cette perte dépend de la fréquence, de la constante diélectrique (DK) et de l'épaisseur. Pour une ligne de transmission particulière, les pertes seront beaucoup plus élevées à des fréquences plus élevées. Pour le même circuit, les pertes radiatives seront moindres lorsque des substrats plus minces et des valeurs DK plus élevées seront utilisés.

Dans cet article, nous ne parlerons que des pertes de ligne de transmission par rapport aux pertes de conducteur induites par la résistance de la trace du signal (Isla ± c) et aux pertes diélectriques induites par le diélectrique PCB (Isla ± d), ces dernières étant mesurées avec le facteur de tangente / dissipation de l'angle de perte.

île t = île C + île d

Impédance caractéristique et mécanisme de perte

Dans notre précédente série de lignes de transmission PCB, nous vous avons donné l'impédance caractéristique de la ligne de transmission (c'est l'impédance vue par le signal, indépendamment de la fréquence):

R = résistance du fil par unité de longueur (Pul)

L = inductance Pul de la boucle du conducteur de ligne

G = conductivité entre la voie signal et la voie retour (due au diélectrique) PUL

C = capacité Pul entre la voie signal et la voie retour (elle augmente avec DK du diélectrique)

Pour une ligne de transmission homogène, R, l, G et C sont identiques en tout point et ZC a donc la même valeur en tout point de la ligne de transmission.

Pour un signal sinusoïdal de fréquence F (i = 2; f) se propageant le long de la ligne, les expressions de tension et de courant en différents points et temps sont données par:

Où Isla ± et isla² sont les parties réelles et imaginaires des pertes sur la ligne de transmission du PCB, données par la formule suivante:

Aux fréquences qui nous intéressent, r < l et g < C, donc:

Et: perte sur la ligne de transmission PCB:

Cela signifie que les ondes propagent les pertes de la ligne de transmission PCB avec un retard de propagation par unité de longueur et sont atténuées lorsqu'elles se propagent le long de la ligne.

Le coefficient d'atténuation du signal d'une ligne de transmission de longueur l est:

Le facteur d'atténuation ou de perte de signal est généralement exprimé en dB.

Les pertes en dB sont donc proportionnelles à la longueur de la ligne. Nous pouvons donc exprimer ce qui précède en dB de perte par unité de longueur:

Nous omettons généralement le signe moins et rappelons qu'il s'agit d'une perte en DB, toujours soustraite de la force du signal en dB.

Ce qui précède, également appelé perte totale d'insertion par unité de longueur de la ligne de transmission, s'écrit:

Or, la composante R / Z 0 des pertes est proportionnelle à R (résistance par unité de longueur), que l'on appelle perte de conducteur et qui résulte de la résistance du conducteur formant la ligne de transmission. Il est représenté par 'Alfa' c. Les pertes de la partie gz0 sont proportionnelles à la Conductance G du matériau diélectrique, appelées pertes diélectriques, notées "Alfa" D.

Où R est la résistance par pouce de conducteur.

Maintenant, il y a deux conducteurs dans la ligne de transmission de PCB - la piste de signal et la voie de retour.

En général, la voie de retour est une surface plane, mais le courant de retour n'est pas réparti uniformément sur la surface plane. Nous pouvons montrer que la majeure partie du courant est concentrée sur une bande trois fois plus large que la piste de signal, juste en dessous de celle - ci.

Résistance de trace de signal dans la ligne de transmission PCB

Toute la section transversale de la trace de signal participe - t - elle également au courant de signal? Réponse: Cette situation ne dépend pas toujours de la fréquence du signal.

À des fréquences extrêmement basses allant jusqu'à environ 1 MHz, nous pouvons supposer que l'ensemble du conducteur participe au courant du signal, de sorte que rsig est identique à la résistance "Alpha" C de la trace du signal, c'est - à - dire:

Í = Résistivité du cuivre (en ohms pouces) Perte de ligne de transmission PCB

W = largeur de la piste en pouces (par exemple: 5 mils ou 0005 "trace 50 ohms)

T = épaisseur de la piste en pouces (généralement ½ OZ à 10 OZ, soit 00007 pouce à 00014 pouce)

Par exemple, pour une trace de 5 mils de large:

Pour nos besoins, nous nous intéressons à la résistance alternative à la fréquence f. ici, l'effet de peau entre dans l'image. Selon l'effet de chimiotaxie, un courant de fréquence f ne diffuse que jusqu'à une certaine profondeur, appelée profondeur de chimiotaxie du conducteur.

Nous pouvons voir ci - dessus qu'à 4 MHz, la profondeur de la peau est égale à 1 OZ d'épaisseur de cuivre et à 15 MHz, elle est égale à ½ OZ d'épaisseur de cuivre. Au - dessus de 15 MHz, la profondeur du courant du signal n'est que de moins de 0,7 mil et diminue constamment avec l'augmentation de la fréquence.

Puisque nous nous concentrons ici sur le comportement à haute fréquence, nous pouvons supposer en toute sécurité que t est plus grand que la profondeur de la peau à la fréquence d'intérêt, nous utiliserons donc la profondeur de la peau au lieu de t dans la formule de résistance du signal. Nous avons donc maintenant:

Nous utilisons 2 îlots au lieu d'îlots, car techniquement, le courant utilise toute la périphérie du conducteur et 2W peut être remplacé par 2 (W + T).

Le signal de retour ne se propage que le long de la surface la plus proche de la trace du signal avec une épaisseur isla´ dont la résistance peut être approximée par:

La rugosité de surface du cuivre à l'interface conducteur - diélectrique entraîne une augmentation des pertes de conducteurs

Il est important de savoir que dans une carte de circuit imprimé, l '"interface conducteur - diélectrique en cuivre" n'est jamais lisse (si elle est lisse, le conducteur en cuivre est facilement dénudé de la surface du diélectrique); Il est rugueux dans une structure dentée pour augmenter la résistance au pelage des conducteurs sur la carte.