PCB Tecnico - Dieci di guida di progettazione PCB ad alta velocità: problema di impedenza caratteristica

Nella progettazione ad alta velocità, l'impedenza caratteristica della scheda di impedenza controllabile e del circuito preoccupa molti ingegneri cinesi. Questo articolo introduce le proprietà di base, i metodi di calcolo e misurazione dell'impedenza caratteristica attraverso un metodo semplice e intuitivo.

Nella progettazione ad alta velocità, l'impedenza caratteristica delle schede e linee di impedenza controllabili è uno dei problemi più importanti e comuni. Prima di tutto comprendere la definizione di linea di trasmissione: una linea di trasmissione è composta da due conduttori con una certa lunghezza, un conduttore è utilizzato per inviare segnali e l'altro è utilizzato per ricevere segnali (ricordate il concetto di "loop" invece di "terra"). In una scheda multistrato, ogni linea è un componente della linea di trasmissione e il piano di riferimento adiacente può essere utilizzato come seconda linea o ciclo. La chiave per una linea che diventa una linea di trasmissione "a buone prestazioni" è mantenere costante la sua caratteristica impedenza su tutta la linea.

La chiave per far sì che il circuito diventi una "scheda ad impedenza controllabile" è far sì che l'impedenza caratteristica di tutti i circuiti soddisfi un valore specificato, solitamente tra 25 ohm e 70 ohm. In un circuito multistrato, la chiave per una buona prestazione della linea di trasmissione è mantenere costante la sua impedenza caratteristica in tutta la linea.

Ma qual è l'impedenza caratteristica? Il modo più semplice per capire l'impedenza caratteristica è quello di guardare ciò che il segnale incontra durante la trasmissione. Quando si muove lungo una linea di trasmissione con la stessa sezione trasversale, questo è simile alla trasmissione a microonde mostrata nella figura 1. Supponiamo che a questa linea di trasmissione venga aggiunta un'onda di passo di tensione di 1 volt. Ad esempio, una batteria da 1 volt è collegata all'estremità anteriore della linea di trasmissione (si trova tra la linea di trasmissione e il ciclo). Una volta collegato, il segnale dell'onda di tensione viaggia lungo la linea alla velocità della luce. Propagazione, la sua velocità è solitamente di circa 6 pollici / nanosecondo. Naturalmente, questo segnale è effettivamente la differenza di tensione tra la linea di trasmissione e il ciclo, e può essere misurato da qualsiasi punto della linea di trasmissione e il punto adiacente del ciclo. Fig. 2 è un diagramma schematico della trasmissione del segnale di tensione.

Il metodo di Zen è prima di "generare un segnale" e poi propagarlo lungo questa linea di trasmissione ad una velocità di 6 pollici per nanosecondo. Il primo 0,01 nanosecondo avanza 0,06 pollici. In questo momento, la linea di invio ha carica positiva in eccesso e il ciclo ha carica negativa in eccesso. È la differenza tra questi due tipi di cariche che mantiene la differenza di tensione di 1 volt tra i due conduttori. E questi due conduttori formano un condensatore.

Nei prossimi 0,01 nanosecondi, per regolare la tensione di una linea di trasmissione da 0,06 pollici da 0 a 1 volt, è necessario aggiungere qualche carica positiva alla linea di trasmissione e qualche carica negativa alla linea di ricezione. Per ogni 0,06 pollici di movimento, più carica positiva deve essere aggiunta alla linea di trasmissione e più carica negativa deve essere aggiunta al ciclo. Ogni 0,01 nanosecondi, un'altra sezione della linea di trasmissione deve essere caricata, e poi il segnale inizia a propagarsi lungo questa sezione. La carica proviene dalla batteria all'estremità anteriore della linea di trasmissione. Quando si muove lungo questa linea, carica la parte continua della linea di trasmissione, formando così una differenza di tensione di 1 volt tra la linea di trasmissione e il ciclo. Ogni 0,01 nanosecondo di avanzamento, una certa carica (±Q) è ottenuta dalla batteria e la potenza costante (±Q) che scorre fuori dalla batteria in un intervallo di tempo costante (±t) è una corrente costante. La corrente negativa che scorre nel loop è in realtà la stessa della corrente positiva che scorre fuori, ed è proprio all'estremità anteriore dell'onda di segnale. La corrente CA passa attraverso il condensatore formato dalle linee superiori e inferiori per terminare l'intero ciclo.

Impedenza della linea

Per le batterie, quando il segnale si propaga lungo la linea di trasmissione, il segmento continuo della linea di trasmissione da 0,06 pollici viene caricato ogni 0,01 nanosecondi. Quando si ottiene una corrente costante dall'alimentazione elettrica, la linea di trasmissione sembra un'impedenza e il suo valore di impedenza è costante, che può essere chiamata "impedenza di sovratensione" della linea di trasmissione.

Allo stesso modo, quando un segnale si propaga lungo la linea, prima del passo successivo, entro 0,01 nanosecondi, quale corrente può aumentare la tensione di questo passo a 1 volt? Questo implica il concetto di impedenza istantanea.

Dal punto di vista della batteria, se il segnale si propaga lungo la linea di trasmissione ad una velocità stabile e la linea di trasmissione ha la stessa sezione trasversale, la stessa quantità di carica è richiesta per ogni passo in 0,01 nanosecondi per generare la stessa tensione del segnale. Quando si percorre questa linea, produrrà la stessa impedenza istantanea, che è considerata una caratteristica della linea di trasmissione ed è chiamata impedenza caratteristica. Se l'impedenza caratteristica del segnale in ogni fase del processo di trasmissione è la stessa, la linea di trasmissione può essere considerata una linea di trasmissione ad impedenza controllabile.

L'impedenza istantanea o l'impedenza caratteristica è molto importante per la qualità della trasmissione del segnale. Durante il processo di trasferimento, se l'impedenza del passaggio successivo è uguale all'impedenza del passaggio precedente, il lavoro può procedere senza intoppi, ma se l'impedenza cambia, si verificheranno alcuni problemi.

Al fine di ottenere la migliore qualità del segnale, l'obiettivo di progettazione della connessione interna è quello di mantenere l'impedenza il più stabile possibile durante il processo di trasmissione del segnale. In primo luogo, l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione deve essere mantenuta stabile. Pertanto, la produzione di schede ad impedenza controllabile diventa sempre più importante. Inoltre, altri metodi come la più breve lunghezza residua del filo, la rimozione dell'estremità e l'uso del filo intero sono utilizzati anche per mantenere la stabilità dell'impedenza istantanea nella trasmissione del segnale.

Misura dell'impedenza caratteristica

Quando la batteria è collegata alla linea di trasmissione (supponendo che l'impedenza sia di 50 ohm al momento), collegare l'ohmmetro al cavo ottico RG58 lungo 3 piedi. Come misurare l'impedenza infinita in questo momento? L'impedenza di qualsiasi linea di trasmissione è legata al tempo. Se si misura l'impedenza del cavo in fibra ottica in un tempo più breve rispetto al riflesso del cavo in fibra ottica, si sta misurando l'impedenza di "sovratensione", o impedenza caratteristica. Ma se si aspetta abbastanza a lungo fino a quando l'energia è riflessa indietro e ricevuta, l'impedenza può essere trovata per cambiare dopo la misurazione. In generale, il valore di impedenza raggiungerà un valore limite stabile dopo il rimbalzo su e giù.

Per un cavo ottico lungo 3 piedi, la misura dell'impedenza deve essere completata entro 3 nanosecondi. TDR (Time Domain Reflectometer) può fare questo, può misurare l'impedenza dinamica della linea di trasmissione. Se misuri l'impedenza di un cavo in fibra ottica di 3 piedi entro 1 secondo, il segnale verrà riflesso avanti e indietro milioni di volte, con conseguente impedenza di "sovratensione".

Calcolo dell'impedenza caratteristica

Modello di impedenza caratteristica semplice: Z=V/I, Z rappresenta l'impedenza di ogni passo nel processo di trasmissione del segnale, V rappresenta la tensione quando il segnale entra nella linea di trasmissione e io rappresenta la corrente. I=±Q/±t, Q rappresenta l'elettricità e t rappresenta il tempo di ogni passo.

Elettricità (dalla batteria): ±Q=±C*V, C rappresenta la capacità e V rappresenta la tensione. La capacità può essere derivata dalla capacità della linea di trasmissione per unità di lunghezza CL e dalla velocità di trasmissione del segnale v. Il valore di lunghezza del perno dell'unità è considerato come la velocità e quindi moltiplicato per il tempo t richiesto per ogni passo, quindi si ottiene la formula: ±C=CL*v*(±)t.

Combinando gli elementi di cui sopra, possiamo ottenere l'impedenza caratteristica:

Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C*V/±t)=V/(CL*v*(±)t*V/±t)=1/(CL *v)

Si può vedere che l'impedenza caratteristica è correlata alla capacità di lunghezza unitaria della linea di trasmissione e alla velocità di trasmissione del segnale. Per distinguere l'impedenza caratteristica dall'impedenza effettiva Z, aggiungiamo 0 dopo Z. L'impedenza caratteristica della linea di trasmissione è: Z0=1/(CL*v)

Se la capacità per unità di lunghezza della linea di trasmissione e la velocità di trasmissione del segnale rimangono invariate, anche l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione rimane invariata. Questa semplice spiegazione può collegare il senso comune della capacità con la teoria dell'impedenza caratteristica appena scoperta. Se la capacità per unità di lunghezza della linea di trasmissione è aumentata, ad esempio addensando la linea di trasmissione, l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione può essere ridotta.