Progettazione PCB - Riconoscere l'importanza della progettazione dell'impedenza quando PCBLayout

Cos'è l'impedenza?

Nell'elettricità, la resistenza alla corrente nel circuito stampato è spesso chiamata impedenza. L'unità di impedenza è ohm, solitamente espressa come Z, ed è un numero complesso:

Z = R (omega I L - 1 / (C) omega)

Nello specifico, l'impedenza può essere divisa in due parti, resistenza (parte reale) e reazione (parte immaginaria).

La reattanza comprende la reattanza capacitiva e la reattanza induttiva. L'ostruzione corrente causata dalla capacità è chiamata reattanza capacitiva e l'ostruzione corrente causata dall'induttanza è chiamata reattanza induttiva.

Modello ideale per la corrispondenza dell'impedenza

La maggior parte degli ingegneri RF hanno riscontrato il problema di corrispondenza delle impedenze. In termini di laicità, la corrispondenza dell'impedenza è progettata per garantire una trasmissione efficiente dei segnali o dell'energia dalla "fonte" al "carico".

Il modello ideale ZZ, naturalmente, si aspetta che l'impedenza di uscita del terminale sorgente sia di 50 ohm, l'impedenza della linea di trasmissione sia di 50 ohm e l'impedenza di ingresso del terminale di carico sia di 50 ohm fino in fondo, che è Z ideale.

Tuttavia, la situazione attuale è che l'impedenza della sorgente non sarà 50ohm e l'impedenza di carico non sarà 50ohm, che richiede diversi circuiti di corrispondenza dell'impedenza.

E il circuito di corrispondenza è composto di induttanza e capacità, in questo momento abbiamo bisogno di utilizzare capacità e induttanza per il debug del circuito di corrispondenza dell'impedenza, al fine di ottenere prestazioni RF ottimali.

Metodo di corrispondenza dell'impedenza

Ci sono due metodi principali di corrispondenza di impedenza, uno è quello di cambiare la forza di impedenza, l'altro è quello di regolare la linea di trasmissione.

Per cambiare la forza di impedenza è regolare il valore di impedenza di carico attraverso la serie e il collegamento parallelo di capacità, induttanza e carico per abbinare l'impedenza di sorgente e carico.

Regolare la linea di trasmissione è di allungare la distanza tra la sorgente e il carico, con capacità e induttanza per regolare la forza di impedenza a zero.

A questo punto, il segnale non sarà emesso e l'energia può essere assorbita dal carico.

Nel cablaggio PCB ad alta velocità, l'impedenza di cablaggio del segnale digitale è generalmente progettata come 50 ohm. È generalmente stabilito che la banda base del cavo coassiale è di 50 ohm, la banda di frequenza è di 75 ohm e la coppia attorcigliata (differenza) è di 85-100 ohm.

Esempio di corrispondenza dell'impedenza: Suono

Una volta ho incontrato il problema della suoneria durante la misurazione dei segnali elettrici in un progetto.

Poiché qualsiasi linea di trasmissione ha inevitabilmente resistenza al piombo, induttanza al piombo e capacità vagante, un segnale di impulso standard dopo il passaggio attraverso una lunga linea di trasmissione è incline a fenomeni di aumento e squillo. Un gran numero di esperimenti mostrano che la resistenza al piombo può ridurre l'ampiezza media dell'impulso. L'esistenza di capacità randagi e induttanza di piombo è la causa principale di upshot e squillo. Nella condizione dello stesso tempo di aumento del fronte dell'impulso, più alta è l'induttanza del piombo, più grave sarà il fenomeno dell'aumento e dell'anello. Più grande è la capacità vaga, più lungo è il tempo di aumento della forma d'onda. Man mano che la resistenza del piombo aumenta, l'ampiezza dell'impulso diminuisce.

Se si avverte un cambiamento di impedenza durante la trasmissione del segnale, si verifica la riflessione del segnale. Questo segnale può essere un segnale del driver o un segnale riflesso dall'estremità remota. Secondo la formula del coefficiente di riflessione, quando il segnale sente un'impedenza più piccola, si verificherà una riflessione negativa e la tensione negativa riflessa farà sì che il segnale produca un downtreaft. Il segnale viene riflesso più volte tra il driver e il carico remoto, con conseguente segnale di squillo. L'impedenza di uscita della maggior parte dei chip è molto bassa e se l'impedenza di uscita è inferiore all'impedenza caratteristica del cablaggio PCB, il segnale suonerà inevitabilmente in assenza di connessione end-to-end sorgente.

Nei circuiti reali, i seguenti metodi sono utilizzati per ridurre e sopprimere upstroke e squillo.

(1) resistenza di serie. L'ampiezza dell'impulso può essere ridotta utilizzando una linea di trasmissione con una grande resistenza o collegando artificialmente una corretta resistenza di smorzamento, in modo da ridurre il grado di upsurge e squillo. Tuttavia, quando il valore della resistenza in entrata è troppo grande, non solo l'ampiezza dell'impulso diminuisce troppo, ma anche il bordo anteriore dell'impulso è ritardato. Pertanto, il valore della resistenza di smorzamento in serie dovrebbe essere appropriato e la resistenza non induttiva dovrebbe essere selezionata e la posizione di connessione della resistenza dovrebbe essere vicina all'estremità ricevente.

(2) Ridurre l'induttanza del piombo. Cercare di ridurre l'induttanza del piombo della linea e della linea di trasmissione è il metodo di base, il principio generale è:

Prova ad accorciare la lunghezza del cavo

Larghezza del filo spesso e della lamina di rame stampata

Ridurre la distanza di trasmissione del segnale

Questi problemi dovrebbero essere prestati più attenzione quando vengono utilizzati i componenti con piccola induttanza, soprattutto quando viene trasmesso il segnale di impulso con fronte molto ripido

(3) Poiché l'induttanza e la capacità equivalenti del circuito di carico possono anche influenzare l'estremità di invio, in modo che la forma d'onda dell'impulso produce upsurge e squillo, quindi, l'induttanza e la capacità equivalenti del circuito di carico dovrebbero essere minimizzate. Soprattutto quando il filo di messa a terra del circuito di carico è troppo lungo, l'induttanza e la capacità vaga del filo di messa a terra sono considerevoli e la loro influenza non può essere ignorata.

(4) La linea del segnale nel circuito digitale logico può aumentare la resistenza di pull-up e il carico del terminale CA, come mostrato nella figura 6. Una resistenza pull-up è disponibile per tirare l'alto livello logico del segnale fino a 5V. L'accesso del circuito di carico terminale AC non influisce sulla capacità di guida degli affluenti, né aumenta il carico della linea di segnale, mentre il fenomeno di squillo ad alta frequenza può essere efficacemente soppresso.

L'anello di cui sopra non è solo correlato alla condizione del circuito, ma anche strettamente correlato al tempo di aumento del fronte dell'impulso. Anche se le condizioni del circuito sono le stesse, quando il tempo di salita del fronte dell'impulso è molto breve, il picco dell'aumento sarà notevolmente aumentato. Generalmente, la possibilità di aumento e squillo è considerata per l'impulso con il tempo di aumento del bordo anteriore inferiore a 1. Pertanto, nella selezione della frequenza del segnale di impulso, si dovrebbe considerare che sulla premessa di soddisfare i requisiti di velocità del sistema, il segnale che può scegliere la frequenza inferiore non dovrebbe scegliere il segnale ad alta frequenza; Se non necessario, non dovrebbe essere eccessivamente richiesto che il bordo anteriore dell'impulso sia molto ripido. Ciò elimina fondamentalmente l'impatto e i benefici audio-visivi del suono.

Applicazione del diagramma del cerchio di Smith nel debug del circuito di corrispondenza RF

Le seguenti informazioni possono essere riflesse nel diagramma del cerchio Smith: parametro di impedenza Z, parametro di ammissione Y, fattore di qualità Q, coefficiente di riflessione, coefficiente di onda eretta, coefficiente di rumore, guadagno, fattore di stabilità, potenza, efficienza, informazioni di frequenza e altri parametri di resistenza.

Non è una faccia meng, guardiamo ancora il diagramma del cerchio di impedenza:

Il principio del diagramma del cerchio di impedenza è quello di utilizzare la corrispondenza one-to-one tra impedenza in ingresso e coefficiente di riflessione della tensione per esprimere impedenza in ingresso normalizzata nel sistema di coordinate polari del coefficiente di riflessione e le sue caratteristiche sono riassunte come segue:

L'impedenza del semicerchio superiore è reattanza induttiva e quella del semicerchio inferiore è reattanza capacitiva

L'asse reale è resistenza pura e il cerchio unitario è reattanza pura

Il mezzo asse destro dell'asse reale sono tutti i punti ventrali dell'onda di tensione (eccetto i punti di circuito aperto), e il mezzo asse sinistro sono nodi di onda di tensione (eccetto i punti di cortocircuito).

Punto di corrispondenza (1,0), punto di circuito aperto (â Ֆž, â Ֆž) e punto di cortocircuito (0,0)

Due cerchi speciali: quello con la Z più grande è il cerchio di reazione pura, e quello tangente all'asse virtuale è il cerchio corrispondente

Ci sono due direzioni di rotazione: in senso antiorario al carico e in senso orario alla sorgente d'onda

Il grafico del cerchio di ammissione e il grafico del cerchio di impedenza sono reciprocamente centrometrici. Lo stesso grafico del cerchio può essere usato come grafico del cerchio di impedenza o grafico del cerchio di ammissione, ma non può essere usato come grafico del cerchio di ammissione se è usato come grafico del cerchio di impedenza durante ogni operazione YC.

Il cerchio di Smith mostra alcune caratteristiche interessanti:

Un induttore/condensatore variabile è collegato in serie o in parallelo prima del carico, come mostrato nei quattro diagrammi sul lato sinistro della figura sottostante, dando luogo a diverse curve sul lato destro del cerchio Smith.

Corrispondente al cerchio di impedenza Smith e al cerchio di ammissione, la loro traiettoria di movimento è la seguente:

Con un cerchio di impedenza Smith, l'induttore di serie gira in senso orario e il condensatore di serie gira in senso antiorario

Quando si utilizzano i cerchi di ammissione Smith, l'induttore dello shunt ruota in senso antiorario e la capacità dello shunt ruota in senso orario