Technologie PCB - Impédance caractéristique analytique

Ces dernières années, dans le domaine de la conception à grande vitesse, un problème de plus en plus important a été la conception de cartes à impédance contrôlée et l'impédance caractéristique des lignes d'interconnexion sur les cartes. Cependant, c'est aussi le problème le plus déroutant et le moins intuitif pour les ingénieurs de conception non électroniques. Même de nombreux ingénieurs en conception électronique sont tout aussi confus à ce sujet. Cette information donnera une brève introduction intuitive à l'impédance caractéristique et, espérons - le, vous aidera à comprendre les qualités les plus élémentaires d'une ligne de transmission.

Qu'est - ce qu'une ligne de transmission?

Qu'est - ce qu'une ligne de transmission? Deux fils d'une certaine longueur constituent une ligne de transmission. L'un de ces conducteurs devient le canal de propagation du signal, tandis que l'autre constitue le chemin de retour du signal (nous mentionnons ici le chemin de retour du signal, qui est en fait la terre que tout le monde comprend normalement, mais que l'on oublie momentanément pour faciliter la description. Concept.). Dans La conception de cartes multicouches, Chaque ligne d'interconnexion PCB constitue un conducteur dans une ligne de transmission qui utilise un plan de référence adjacent comme deuxième conducteur ou chemin de retour de signal de la ligne de transmission. Quel type d'interconnexion PCB est une bonne ligne de transmission? En général, si l'impédance caractéristique est cohérente partout sur la même ligne d'interconnexion PCB, une telle ligne de transmission devient une ligne de transmission de haute qualité. Quel type de carte est appelé carte à impédance contrôlée? Une carte à impédance contrôlée signifie que l'impédance caractéristique de toutes les lignes de transmission sur le PCB est conforme à une spécification cible uniforme. Cela signifie généralement que l'impédance caractéristique de toutes les lignes de transmission est comprise entre 25 et 70.

Du point de vue du signal

Le moyen le plus efficace de prendre en compte l'impédance caractéristique est d'observer ce que l'on voit lorsque le signal se propage le long de la ligne de transmission. Pour simplifier la discussion de ce problème, on suppose que la ligne de transmission est de type microruban et que la section transversale de la ligne de transmission est cohérente lorsque le signal se propage le long de la ligne de transmission.

Un signal de pas d'amplitude 1V est ajouté à la ligne de transmission. Le signal pas à pas est une batterie 1V connectée par l'avant et connectée entre la ligne de signal et la voie de retour. Au moment de la mise sous tension de la cellule, la forme d'onde de la tension du signal se propagera dans le diélectrique à la vitesse de la lumière, typiquement à environ 6 pouces / NS (pourquoi le signal se propage - t - il si rapidement plutôt que d'approcher la vitesse de propagation des électrons d'environ 1 CM / s, un autre sujet qui n'est pas abordé ici). Bien entendu, les signaux ont encore ici une définition traditionnelle. Ce signal est défini comme la différence de tension entre la ligne de signal et la voie de retour, cette différence de tension étant toujours obtenue en mesurant la différence de tension en tout point de la ligne de transmission et sur la voie de retour du signal adjacent.

Ce signal est transmis le long de la ligne de transmission à une vitesse de 6 pouces / ns. Quel genre de situation le signal rencontre - t - il lors de sa transmission? Pendant le premier intervalle de temps de 10 PS, le signal parcourt une distance de 0,06 pouce le long de la ligne de transmission. En supposant que le temps de verrouillage est à ce stade, considérez ce qui se passe sur la ligne de transmission. Sur cette distance parcourue, la transmission du signal établit un signal constant stable d'amplitude 1 V entre cette partie de la ligne de transmission et la voie de retour du signal adjacente correspondante. Cela signifie que des charges positives supplémentaires et des charges négatives supplémentaires se sont accumulées sur cette partie de la ligne de transmission et sur les voies de retour correspondantes pour établir cette tension stabilisée. C'est la différence de ces charges qui établit et maintient un signal de tension stable de 1 V entre les deux conducteurs et un signal de tension stable entre les conducteurs établit une capacité entre les deux conducteurs.

Le segment de ligne de transmission derrière le front d'onde du signal sur la ligne de transmission n'est pas clair s'il y aura propagation du signal, de sorte que la tension entre la ligne de signal et la voie de retour reste toujours nulle. Au cours du prochain intervalle de temps de 10 PS, le signal parcourra une certaine distance le long de la ligne de transmission. Comme le signal continue de se propager, une ligne de transmission 1V sera établie entre un autre segment de ligne de transmission de 0,06 pouce de longueur et la voie de retour du signal correspondante. Tension du signal. Pour ce faire, une certaine quantité de charges positives doit être injectée dans la ligne de signal et la même quantité de charges négatives doit être injectée dans le signal de retour sur le chemin. Pour chaque 0,06 pouce de propagation du signal le long de la ligne de transmission, plus de charges positives seront injectées dans la ligne de signal et plus de charges négatives seront injectées dans le chemin de retour du signal. Tous les intervalles de temps de 10ps, une autre section de la ligne de transmission sera chargée à 1V et le signal continuera à se propager en direction de la ligne de transmission.

D'où viennent ces accusations? La réponse vient de la source de signal, la batterie que nous utilisons pour fournir un signal pas à pas et qui est connectée à l'extrémité avant de la ligne de transmission. Lorsqu'un signal se propage sur une ligne de transmission, le signal charge en continu le segment de ligne de transmission par lequel il se propage, assurant l'établissement et le maintien d'une tension de 1 V entre la ligne de signal et le trajet de retour de la transmission du signal. Tous les 10 PS, le signal parcourt une certaine distance sur la ligne de transmission et prélève une certaine quantité de charge du système électrique. La batterie fournit une certaine quantité de charge à l'extérieur pendant un certain temps pour former un courant de signal constant. Un courant positif circule de la batterie dans la ligne de signal, tandis qu'un courant négatif de même taille circule dans le chemin de retour du signal.

Le courant négatif circulant dans la voie de retour du signal est exactement le même que le courant positif circulant dans la ligne de signal. En outre, à la position du front d'onde du signal, un courant alternatif circule à travers le condensateur formé par la ligne de signal et la voie de retour du signal, complétant la boucle de signal.

Impédance caractéristique de la ligne de transmission

Du point de vue de la batterie, une fois que l'Ingénieur de conception a connecté les fils de la batterie à l'extrémité avant de la ligne de transmission, il y a toujours un courant de valeur constante sortant de la batterie et le signal de tension reste stable. On pourrait se demander quel type de composant électronique aurait un tel comportement? Lorsqu'un signal de tension constante est ajouté, il conservera une valeur de courant constante, qui est bien sûr une résistance.

En ce qui concerne la batterie, un nouveau segment de ligne de transmission de 0,06 pouce sera ajouté à chaque intervalle de temps de 10 PS pendant que le signal se propage le long de la ligne de transmission pour charger à 1V. La charge nouvellement augmentée obtenue à partir de la batterie assure la stabilité de la batterie. Le courant tire un courant constant de la batterie, la ligne de transmission est équivalente à une résistance, la résistance est constante. Nous appelons cela l'impédance de surtension de la ligne de transmission.

De même, lorsqu'un signal avance le long d'une ligne de transmission, le signal sonde en permanence l'environnement électrique de la ligne de transmission pour chaque distance spécifique parcourue et tente de déterminer l'impédance du signal au fur et à mesure de sa progression. Une fois le signal ajouté à la ligne de transmission et se propageant le long de celle - ci, le signal lui - même vérifie en permanence la quantité de courant nécessaire pour charger la longueur de la ligne de transmission se propageant sur un intervalle de temps de 10 ps et charger cette partie du segment de ligne de transmission à 1 V. C'est la valeur d'impédance instantanée que nous voulons analyser.

Du point de vue de la cellule elle - même, si le signal se propage à vitesse constante en direction de la ligne de transmission et en supposant que la ligne de transmission ait une section uniforme, à chaque fois que le signal se propage sur une longueur fixe (par example la distance parcourue par le signal avec un intervalle de temps de 10 PS), Il faut alors obtenir le même nombre de charges de la batterie pour que cette partie de la ligne de transmission soit chargée à la même tension de signal. Chaque fois que le signal parcourt une distance fixe, le même courant sera obtenu de la batterie et la tension du signal restera constante. Pendant la propagation du signal, l'impédance instantanée est la même partout sur la ligne de transmission.

Au cours de la propagation d'un signal le long d'une ligne de transmission, si la vitesse de propagation du signal est constante partout sur la ligne de transmission et que la capacité par unité de longueur est également la même, le signal verra toujours une impédance instantanée parfaitement cohérente au cours de la propagation. Comme l'impédance reste constante sur toute la ligne de transmission, nous donnons un nom particulier pour désigner cette caractéristique ou caractéristique d'une ligne de transmission particulière, appelée impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par impédance caractéristique, on entend la valeur de l'impédance instantanée vue par un signal lorsqu'il se propage le long d'une ligne de transmission. Une telle ligne de transmission est dite à impédance contrôlée si l'impédance caractéristique vue par le signal reste invariablement la même lorsqu'il se propage le long de la ligne de transmission.

L'impédance caractéristique de la ligne de transmission est le facteur le plus important dans la conception

L'impédance instantanée ou caractéristique d'une ligne de transmission est le facteur le plus important affectant la qualité du signal. Si l'impédance entre les intervalles de propagation des signaux voisins reste constante pendant la propagation du signal, le signal peut se propager très doucement vers l'avant et la situation devient très simple. S'il y a une différence entre les intervalles de propagation des signaux adjacents ou si l'impédance change, une partie de l'énergie dans le signal sera réfléchie et la continuité de la transmission du signal sera détruite.

Afin d'assurer une qualité de signal optimale, l'objectif de la conception de l'interconnexion de signaux est de s'assurer que l'impédance vue par le signal pendant la transmission reste aussi constante que possible. Il s'agit principalement de maintenir constante l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par conséquent, la conception et la fabrication de cartes PCB à impédance contrôlable deviennent de plus en plus importantes. En ce qui concerne toutes les autres astuces de conception, telles que la minimisation de la longueur du doigt, l'adaptation des bornes, les connexions en Daisy ou en dérivation, etc., il s'agit de s'assurer que le signal peut voir une impédance instantanée cohérente.

Calcul de l'impédance caractéristique

A partir du modèle simple ci - dessus, on peut déduire la valeur de l'impédance caractéristique, c'est - à - dire la valeur de l'impédance instantanée vue lors de la transmission du signal. L'impédance Z vue par le signal dans chaque intervalle de propagation coïncide avec la définition de base de l'impédance

Z = V / I

La tension V désigne ici la tension de signal appliquée à la ligne de transmission, tandis que le courant I désigne la quantité de charge totale islâq obtenue de la batterie à chaque intervalle de temps, et donc

I = question / problème

Les charges circulant dans la ligne de transmission (charges provenant finalement de la source de signal) sont utilisées pour charger à la tension V la capacité C formée entre la ligne de signal nouvellement ajoutée et la voie de retour lors de la propagation du signal, et donc

Île q = v Île C

On peut lier la capacité induite par la propagation d'un signal sur une certaine distance au cours de sa propagation à la valeur de la capacité cl par unité de longueur de la ligne de transmission et à la vitesse U à laquelle le signal est diffusé sur la ligne de transmission. Simultanément, la distance parcourue par le signal est la vitesse u multipliée par l'intervalle de temps. Donc

Île C = Île cl U

En combinant toutes les équations ci - dessus, nous pouvons conclure que l'impédance instantanée est:

Z = V / I = V / (île q) = V /

On voit que l'impédance instantanée est liée à la valeur de la capacité par unité de longueur de ligne de transmission et à la vitesse de transmission du signal. Ceci peut également être artificiellement défini comme l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Pour différencier l'impédance caractéristique de l'impédance réelle Z, on a notamment ajouté un indice 0 à l'impédance caractéristique. L'impédance caractéristique de la ligne de transmission du signal a été obtenue à partir de la dérivation ci - dessus:

Z0 = 1 / (chlore - uranium)

Si la valeur de la capacité par unité de longueur de la ligne de transmission et la vitesse de propagation du signal sur la ligne de transmission restent constantes, la ligne de transmission a une impédance caractéristique constante sur toute sa longueur. Une telle ligne de transmission est appelée ligne de transmission à impédance contrôlée.

Il ressort de la brève description ci - dessus qu'une certaine connaissance intuitive de la capacité peut être liée à une connaissance intuitive de l'impédance caractéristique nouvellement découverte. En d'autres termes, si le câblage du signal dans le PCB est élargi, la valeur de la capacité par unité de longueur de la ligne de transmission augmentera et l'impédance caractéristique de la ligne de transmission pourra être diminuée.

Sujets intéressants

On peut souvent entendre des déclarations confuses sur l'impédance caractéristique des lignes de transmission. Selon l'analyse ci - dessus, après avoir connecté la source de signal à la ligne de transmission, vous devriez être en mesure de voir une certaine valeur de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, par exemple 50 îles. Cependant, si vous connectez l'ohmmètre au même câble rg58 de 3 pieds, l'impédance mesurée est illimitée.

La réponse à cette question est que la valeur de l'impédance vue de l'extrémité avant de n'importe quelle ligne de transmission change au fil du temps. Si le temps de mesure de l'impédance du câble est suffisamment court, comparable au temps nécessaire à la propagation du signal dans le câble, il est possible de mesurer l'impédance de surtension du câble ou l'impédance caractéristique du câble. Cependant, si vous attendez assez longtemps, une partie de l'énergie est réfléchie et détectée par les instruments de mesure. A ce stade, les variations d'impédance peuvent être détectées. Habituellement, dans ce processus, l'impédance varie d'avant en arrière jusqu'à la valeur de l'impédance. Atteindre l'état stable: la valeur d'impédance finale est infinie si l'extrémité du câble est en circuit ouvert, et nulle si l'extrémité du câble est en court - circuit.

Pour un câble rg58 de 3 pieds de long, le processus de mesure d'impédance doit être effectué dans un intervalle de temps inférieur à 3 NS. C'est ce que fera un réflectomètre dans le domaine temporel (TDR), qui peut mesurer l'impédance dynamique d'une ligne de transmission. Si la mesure de l'impédance d'un câble rg58 de 3 pieds prend un intervalle de temps de 1 s pendant lequel le signal a été réfléchi des millions de fois, vous obtiendrez probablement une valeur d'impédance complètement différente de la grande variation d'impédance, et le résultat final est infini, car les bornes du câble sont en circuit ouvert.