PCB Tecnico - La scheda PCB single-ended è predefinita a 50 ohm per controllare

Molte persone che sono nuove all'impedenza avranno questa domanda. Perché le tracce single-ended comuni nelle schede PCB sono controllate da 50 ohm invece di 40 ohm o 60 ohm per impostazione predefinita? Questa è una domanda apparentemente semplice a cui non è facile rispondere. Prima di scrivere questo articolo, abbiamo anche cercato un sacco di informazioni, la più nota delle quali è Howard Johnson, la risposta del PhD su questa domanda,

Perché è difficile rispondere? Il problema stesso dell'integrità del segnale è una questione di compromessi, quindi la frase più famosa nel settore è: "Dipende..." Questo è un problema dove non c'è una risposta standard. Oggi, Mr. Expressway riassumerà brevemente questa domanda combinando varie risposte, ed ecco anche un'introduzione. Spero che più persone possano sintetizzare fattori più rilevanti dal proprio punto di vista.

Prima di tutto, 50 ohm ha una certa origine storica, che deve iniziare con i cavi standard. Sappiamo tutti che gran parte della moderna tecnologia elettronica deriva dall'esercito e lentamente viene convertita dall'uso militare a quello civile. Nei primi giorni dell'applicazione a microonde, durante la seconda guerra mondiale, la scelta dell'impedenza era completamente dipendente dalle esigenze di utilizzo. Con il progresso della tecnologia, è necessario definire standard di impedenza per raggiungere un equilibrio tra economia e convenienza. Negli Stati Uniti, i condotti più comunemente utilizzati sono collegati da barre esistenti e tubi dell'acqua. 51,5 ohm è molto comune, ma gli adattatori / convertitori che vengono visti e utilizzati sono da 50 ohm a 51,5 ohm; È una soluzione per l'esercito congiunto e la marina. Per questi problemi fu creata un'organizzazione chiamata JAN, che fu poi DESC, sviluppata appositamente da MIL. Dopo un esame approfondito, sono stati infine selezionati 50 ohm e condotti speciali sono stati fabbricati e trasformati in vari cavi. standard. A quel tempo, lo standard europeo era di 60 ohm. Poco dopo, sotto l'influenza di aziende che dominano il settore come Hewlett-Packard, anche gli europei sono stati costretti a cambiare, così 50 ohm alla fine sono diventati uno standard nel settore.

È diventata una convenzione e il PCB collegato a vari cavi è infine richiesto di rispettare lo standard di impedenza 50 ohm per la corrispondenza dell'impedenza.

In secondo luogo, dal punto di vista della produzione realizzabile di circuiti stampati PCB, 50 ohm è più conveniente da raggiungere. Dalla formula di calcolo dell'impedenza precedente, si può vedere che l'impedenza troppo bassa richiede una larghezza di linea più ampia e un mezzo sottile (o una costante dielettrica più grande), che è più difficile da soddisfare nello spazio per le schede ad alta densità correnti; L'impedenza troppo elevata richiede una maggiore larghezza della linea sottile e la dielettrica più spessa (o costante dielettrica più piccola) non favoriscono la soppressione di EMI e crosstalk. Allo stesso tempo, l'affidabilità della lavorazione per schede multistrato e dal punto di vista della produzione di massa sarà relativamente scarsa; La larghezza ordinaria della linea e lo spessore dielettrico di 50 Ohm (4 ~ 6mil) nell'ambiente dei materiali comunemente usati soddisfano i requisiti di progettazione (il calcolo dell'impedenza nella figura sottostante), ed è facile da elaborare e non sorprende che diventi lentamente la scelta predefinita.

In terzo luogo, dal punto di vista della perdita, sulla base della fisica di base, si può dimostrare che la perdita di effetto pelle di impedenza di 50 ohm è la più piccola (presa dalla risposta di Howard Johnson, PhD). Generalmente, la perdita di effetto pelle del cavo L (in decibel) è proporzionale alla resistenza totale dell'effetto pelle R (lunghezza unitaria) divisa per l'impedenza caratteristica Z0. La resistenza totale dell'effetto cutaneo R è la somma della resistenza dello strato schermante e del conduttore intermedio. La resistenza agli effetti cutanei dello strato schermante è inversamente proporzionale al suo diametro d2 alle alte frequenze. La resistenza all'effetto pelle del conduttore interno di un cavo coassiale è inversamente proporzionale al suo diametro d1 alle alte frequenze. La resistenza totale di serie R è quindi proporzionale a (1/d2+1/d1). Combinando questi fattori, dato d2 e la corrispondente costante dielettrica Er del materiale isolante, la seguente formula può essere utilizzata per ridurre al minimo la perdita di effetto cutaneo.

In qualsiasi libro di base sui campi elettromagnetici e le microonde, si può trovare che Z0 è una funzione di d2, d1 ed Er.

Sostituire la formula 2 nella formula 1, moltiplicare il numeratore e il denominatore per d2 allo stesso tempo, e ottenere

Separare il termine costante (/60)* (1/d2) dalla formula 3 e il termine effettivo ((1+d2/d1)/ln(d2/d1)) per determinare il punto minimo. Osservate attentamente il punto minimo della formula 3 controllato solo da d2/d1 e non ha nulla a che fare con Er e il valore fisso d2. Prendere d2/d1 come parametro e disegnare un grafico per L. Quando d2/d1=3.5911, si ottiene il valore minimo. Supponendo che la costante dielettrica del polietilene solido sia 2,25 e d2/d1=3,5911, l'impedenza caratteristica è 51,1 ohm. Molto tempo fa, gli ingegneri radio, per comodità, hanno approssimato questo valore a 50 ohm come valore ottimale per i cavi coassiali. Questo dimostra che circa 50 ohm, L è il più piccolo.

Infine, dal punto di vista delle prestazioni elettriche, il vantaggio di 50 ohm è anche un compromesso dopo una riflessione approfondita. Puramente dalle prestazioni delle tracce PCB, la bassa impedenza è migliore. Per una linea di trasmissione con una data larghezza di linea, più vicina è la distanza dal piano, l'EMI corrispondente sarà ridotto, anche il crosstalk sarà ridotto e non è facile essere sottoposti a carichi capacitivi. Influenza. Ma dal punto di vista del percorso completo, il fattore più critico deve essere considerato, cioè la capacità di azionamento del chip. Nei primi giorni, la maggior parte dei chip non poteva guidare linee di trasmissione con un'impedenza inferiore a 50 ohm, e linee di trasmissione con un'impedenza maggiore erano scomode da implementare. L'impedenza di 50 ohm è utilizzata nel.

Per riassumere: 50 ohm come valore predefinito dell'industria PCB ha i suoi vantaggi intrinseci, ed è anche una soluzione di compromesso dopo una valutazione approfondita, ma non significa che devono essere utilizzati 50 ohm. In molti casi, dipende dalla corrispondenza con esso, ad esempio, 75 ohm è ancora lo standard per la comunicazione remota. Alcuni cavi e antenne utilizzano 75 ohm. In questo momento, è necessaria un'impedenza corrispondente della linea PCB. Inoltre, ci sono alcuni chip speciali che riducono l'impedenza della linea di trasmissione migliorando la capacità di guida del chip per sopprimere meglio EMI e crosstalk. Ad esempio, la maggior parte dei chip Intel richiede il controllo dell'impedenza a 37 ohm, 42 ohm o anche inferiore. Non le ripeterò qui.