PCB Tecnico - Progettazione del circuito ad impedenza controllata e impedenza caratteristica della linea di interconnessione

Negli ultimi anni, una questione sempre più importante nel campo della progettazione ad alta velocità è la progettazione di circuiti stampati ad impedenza controllata e la caratteristica impedenza delle linee di interconnessione sul circuito stampato. Tuttavia, per i progettisti non elettronici, questo è anche un problema piuttosto confuso e poco intuitivo. Anche molti ingegneri di progettazione elettronica sono altrettanto confusi su questo.

Impedenza caratteristica della linea di trasmissione

Dal punto di vista della batteria, una volta che l'ingegnere di progettazione collega il cavo della batteria all'estremità anteriore della linea di trasmissione, c'è sempre un valore costante della corrente che scorre fuori dalla batteria e il segnale di tensione è mantenuto stabile. Alcune persone possono chiedere, che tipo di componenti elettronici hanno tale comportamento? Quando viene aggiunto un segnale di tensione costante, manterrà un valore di corrente costante, che è naturalmente una resistenza.

Per la batteria, quando il segnale si propaga in avanti lungo la linea di trasmissione, ogni intervallo di tempo 10ps, verrà aggiunto un nuovo segmento di linea di trasmissione di 0,06 pollici da caricare a 1V. La carica appena aumentata ottenuta dalla batteria assicura che una batteria stabile sia mantenuta. La corrente attinge una corrente costante dalla batteria, la linea di trasmissione è equivalente a una resistenza e la resistenza è costante. La chiamiamo impedenza di sovratensione della linea di trasmissione.

Allo stesso modo, quando un segnale viaggia in avanti lungo una linea di trasmissione, ad ogni certa distanza che percorre, il segnale sonderà costantemente l'ambiente elettrico della linea di segnale e cercherà di determinare l'impedenza del segnale quando viaggia più avanti. Una volta che il segnale è stato aggiunto alla linea di trasmissione e propagato lungo la linea di trasmissione, il segnale stesso ha esaminato quanta corrente è necessaria per caricare la lunghezza della linea di trasmissione propagata nell'intervallo di tempo 10ps e mantenere questa parte del segmento della linea di trasmissione carica a 1V. Questo è il valore di impedenza istantanea che vogliamo analizzare.

Dal punto di vista della batteria stessa, se il segnale si propaga lungo la direzione della linea di trasmissione a velocità costante e supponendo che la linea di trasmissione abbia una sezione trasversale uniforme, allora ogni volta che il segnale propaga una lunghezza fissa (come la distanza che il segnale si propaga in un intervallo di tempo di 10ps), Ottenere la stessa quantità di carica dalla batteria per assicurarsi che questa sezione della linea di trasmissione sia caricata alla stessa tensione del segnale. Ogni volta che il segnale propaga una distanza fissa, la stessa corrente sarà ottenuta dalla batteria e la tensione del segnale sarà mantenuta costante. Durante il processo di propagazione del segnale, l'impedenza istantanea ovunque sulla linea di trasmissione è la stessa.

Nel processo di propagazione del segnale lungo la linea di trasmissione, se c'è una velocità costante di propagazione del segnale ovunque sulla linea di trasmissione e la capacità per unità di lunghezza è anche la stessa, allora il segnale vedrà sempre un'impedenza istantanea completamente coerente durante il processo di propagazione. Poiché l'impedenza rimane costante su tutta la linea di trasmissione, diamo un nome specifico per rappresentare questa caratteristica o caratteristica di una specifica linea di trasmissione, che viene chiamata impedenza caratteristica della linea di trasmissione. L'impedenza caratteristica si riferisce al valore di impedenza istantanea visto dal segnale quando il segnale si propaga lungo la linea di trasmissione. Se l'impedenza caratteristica vista dal segnale rimane sempre la stessa mentre il segnale si propaga lungo la linea di trasmissione, tale linea di trasmissione è chiamata linea di trasmissione ad impedenza controllata.

L'impedenza caratteristica della linea di trasmissione è un fattore molto importante nella progettazione

L'impedenza istantanea o l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione è un fattore molto importante che influisce sulla qualità del segnale. Se l'impedenza tra gli intervalli adiacenti di propagazione del segnale rimane la stessa durante la propagazione del segnale, allora il segnale può propagarsi in avanti molto agevolmente e la situazione diventa molto semplice.

Al fine di garantire una migliore qualità del segnale, l'obiettivo della progettazione dell'interconnessione del segnale è garantire che l'impedenza osservata durante la trasmissione del segnale rimanga il più costante possibile. Ciò si riferisce principalmente a mantenere costante l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Pertanto, la progettazione e la produzione di schede PCB con impedenza controllata diventa sempre più importante. Come per qualsiasi altro trucco di progettazione, come ridurre al minimo la lunghezza del dito, l'abbinamento del terminale, il collegamento a catena margherita o il collegamento a ramo, ecc., sono tutti per garantire che il segnale possa vedere un'impedenza istantanea coerente.

Calcolo dell'impedenza caratteristica

Dal modello semplice di cui sopra, possiamo dedurre il valore dell'impedenza caratteristica, cioè il valore dell'impedenza istantanea vista durante la trasmissione del segnale. L'impedenza Z vista dal segnale in ogni intervallo di propagazione è coerente con la definizione di base di impedenza

Z=V/I

La tensione V qui si riferisce alla tensione del segnale aggiunta alla linea di trasmissione, e la corrente I si riferisce alla quantità totale di carica δQ ottenuta dalla batteria in ogni intervallo di tempo δt, quindi

I=δQ/δt

La carica che scorre nella linea di trasmissione (la carica in definitiva proviene dalla sorgente del segnale) viene utilizzata per caricare la capacità δC formata tra la linea di segnale appena aggiunta e il percorso di ritorno nel processo di propagazione del segnale alla tensione V, quindi

δQ=VδC

Possiamo collegare la capacità causata dal segnale che viaggia una certa distanza durante il processo di propagazione con il valore di capacità CL per unità di lunghezza della linea di trasmissione e la velocità U del segnale che si propaga sulla linea di trasmissione. Allo stesso tempo, la distanza percorsa dal segnale è la velocità U moltiplicata per l'intervallo di tempo δt. così

δC=CLUÎt

Combinando tutte le equazioni di cui sopra, possiamo ricavare l'impedenza istantanea come:

Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(VδC/δt)=V/(VCLUδt/δt)=1/(CLU)

Si può vedere che l'impedenza istantanea è correlata al valore di capacità per unità di lunghezza della linea di trasmissione e alla velocità di trasmissione del segnale. Questa può anche essere definita artificialmente come l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Per distinguere l'impedenza caratteristica dall'impedenza Z effettiva, all'impedenza caratteristica viene aggiunto un sottoscripto 0. L'impedenza caratteristica della linea di trasmissione del segnale è stata ottenuta dalla derivazione di cui sopra:

Z0 = 1/(CLU)

Se il valore di capacità per unità di lunghezza della linea di trasmissione e la velocità alla quale il segnale si propaga sulla linea di trasmissione rimangono costanti, la linea di trasmissione presenta un'impedenza caratteristica costante entro la sua lunghezza. Tale linea di trasmissione è chiamata linea di trasmissione ad impedenza controllata

Dalla breve descrizione di cui sopra si può vedere che alcune conoscenze intuitive sulla capacità possono essere collegate con la conoscenza intuitiva recentemente scoperta dell'impedenza caratteristica. In altre parole, se il cablaggio del segnale nel PCB viene ampliato, il valore di capacità per unità di lunghezza della linea di trasmissione aumenterà e l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione può essere ridotta.

Argomento interessante

Spesso si sentono dichiarazioni confuse sulla caratteristica impedenza delle linee di trasmissione. Secondo l'analisi di cui sopra, dopo aver collegato la sorgente del segnale alla linea di trasmissione, si dovrebbe essere in grado di vedere un certo valore dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione, ad esempio, 50Ω. Tuttavia, se si collega un ohmmeter allo stesso cavo RG58 lungo 3 piedi, l'impedenza misurata è infinita. La risposta alla domanda è che il valore di impedenza visto dall'estremità anteriore di qualsiasi linea di trasmissione cambia con il tempo. Se il tempo per misurare l'impedenza del cavo è abbastanza breve da essere paragonabile al tempo necessario per il segnale per andare avanti e indietro nel cavo, è possibile misurare l'impedenza di sovratensione del cavo o l'impedenza caratteristica del cavo. Tuttavia, se si aspetta abbastanza tempo, una parte dell'energia verrà riflessa e rilevata dallo strumento di misura. In questo momento, il cambiamento di impedenza può essere rilevato. Normalmente, in questo processo, l'impedenza cambierà avanti e indietro fino al valore di impedenza. Si raggiunge uno stato stabile: se l'estremità del cavo è aperta, il valore di impedenza finale è infinito e se l'estremità del cavo è cortocircuita, il valore di impedenza finale è zero.

Per un cavo RG58 lungo 3 piedi, il processo di misurazione dell'impedenza deve essere completato entro un intervallo di tempo inferiore a 3ns. Questo è ciò che farà il Time Domain Reflectometro (TDR) in grado di misurare l'impedenza dinamica di una linea di trasmissione. Se ci vuole un intervallo di tempo di 1s per misurare l'impedenza di un cavo RG58 lungo 3 piedi, allora il segnale è stato riflesso avanti e indietro milioni di volte durante questo intervallo di tempo, allora si può ottenere completamente diverso dall'enorme cambiamento di impedenza Il valore dell'impedenza, il risultato finale è infinito, perché il terminale del cavo è aperto.

Quanto sopra è la descrizione del progetto PCB ad impedenza controllata e l'impedenza caratteristica della linea di interconnessione