PCB Tecnico - La discontinuità dell'impedenza PCB provoca la riflessione del segnale

Questo è un articolo approfondito su un argomento molto importante che i progettisti di PCB dovrebbero padroneggiare. La prima cosa da ricordare è che a causa dell'impedenza discontinua, si verificheranno riflessi del segnale nella linea di trasmissione PCB.

La linea di trasmissione deve avere impedenza caratteristica uniforme. Qualsiasi cambiamento o discontinuità nell'impedenza causerà riflessione e distorsione del segnale.

Questo fenomeno si applica anche alle tracce PCB e alle linee di trasmissione. La ragione è che la lunghezza d'onda fisica del segnale ad alta frequenza è molto breve. Pertanto, le tracce di PCB presentano le stesse caratteristiche. Maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d'onda. Devi anche trattare tracce più brevi come linee di trasmissione.

Le discontinuità della traiettoria del segnale o discontinuità non uniformi formano discontinuità dell'integrità del segnale. Al fine di evitare distorsioni del segnale alla sorgente e al bersaglio, è necessario abbinare l'impedenza della traccia PCB alla sorgente. Quindi è necessario caricare impedenze alla sorgente e alle estremità del bersaglio. Ciò rappresenta una sfida considerevole, che richiede un'attenta progettazione PCB per mitigare gli effetti dell'attenuazione del segnale causata dalle discontinuità di impedenza. Maggiore è la discontinuità dell'impedenza caratteristica, maggiore è la riflessione del segnale. Ciò significa che anche la distorsione del segnale è più alta. Pertanto, cerca di mantenere la discontinuità di impedenza il più piccola possibile. In termini di ampiezza e tempo. Leggi: Perché l'impedenza controllata è davvero importante.

La discontinuità di impedenza influisce sull'integrità del segnale

In teoria, il segnale digitale è un impulso ad onda quadrata che cambia in un breve periodo di tempo. Naturalmente, i brevi tempi di aumento del segnale richiesti dai circuiti digitali ad alta frequenza si tradurranno in frequenze estremamente alte associate a tempi di aumento del segnale rapidi. Infatti, queste frequenze saranno un ordine di grandezza superiore alla frequenza di clock del circuito. La larghezza dell'impulso dei circuiti digitali ad alta frequenza è più breve. In tal modo un tempo di lievitazione più breve. Un tempo di aumento del segnale molto breve significa che il segnale digitale contiene frequenze molto alte. Pertanto, i segnali digitali ad alta frequenza dovrebbero seguire le regole di integrità del segnale relative ai segnali ad alta frequenza.

Pertanto, eventuali cambiamenti nell'impedenza delle tracce PCB causeranno riflessi del segnale. Questi possono causare squillo e distorsione del segnale. Il risultato di ciò è che alle alte frequenze di commutazione, la discontinuità di impedenza provoca gravi distorsioni al segnale digitale e possono verificarsi errori di campionamento del segnale. È possibile caratterizzare la linea di trasmissione formata da tracce PCB con i seguenti parametri: resistenza, conduttanza e resistenza alla traccia. Leggere la differenza tra linea microstrip e stripline in PCB.

discontinuità tipica dell'impedenza

L'impedenza caratteristica della linea è la radice quadrata dell'induttanza divisa per la capacità. Questa è un'ipotesi ragionevole per i PCB perché la resistenza della traccia e la conduttanza alle alte frequenze del segnale sono trascurabili rispetto alla sua induttanza e capacità.

La discontinuità di impedenza è qualsiasi fattore che influisce sul rapporto tra induttanza di traccia e capacità. Ecco alcuni esempi tipici:

Cambiamenti di impedenza nella linea: Se l'impedenza della linea cambia per qualsiasi motivo, come un cambiamento nella sezione trasversale in rame o un cambiamento nel percorso di routing, l'induttanza reciproca cambierà e si verificherà discontinuità di impedenza.

Fili nella linea: Anche se può essere necessario indirizzare il segnale a più dispositivi, l'uso di rami e stub di linea può cambiare l'impedenza della linea e causare discontinuità.

Divisione del segnale di ritorno: I segnali ad alta frequenza si propagano lungo il percorso con l'impedenza più bassa, che si trova direttamente sotto la traccia del segnale, di solito nel piano di terra. Qualsiasi caratteristica fisica della linea di ritorno o del piano di terra che costringe il segnale di ritorno a deviare da questo percorso causerà discontinuità.

Vias: Utilizzare vias per trasmettere segnali da uno strato del PCB ad un altro. Sebbene sia una caratteristica di base della progettazione PCB, la forma e le dimensioni dei vias cambieranno l'induttanza e la capacità della traccia, creando un'altra discontinuità. Per saperne di più, leggi come ridurre la capacità parassitaria nel layout PCB.

Come limitare l'impatto della discontinuità di impedenza

La chiave per controllare gli effetti negativi della discontinuità di impedenza è trattare tutte le tracce del segnale PCB come linee di trasmissione. È necessario assicurarsi che l'impedenza caratteristica di tutti i punti sul percorso del segnale sia la stessa.

Assicurati di seguire le seguenti linee guida:

Corrispondere l'impedenza della sorgente e l'impedenza di carico: Assicurarsi che l'impedenza della sorgente e l'impedenza di carico siano le stesse dell'impedenza della traccia. È possibile ottenere questo utilizzando resistenze serie o parallele per ottenere la corretta impedenza. Inoltre, è necessario terminare eventuali tracce aperte con resistenze del valore corretto.

Evitare ramificazioni: Se il segnale deve essere condiviso da più chip, collegare le linee in una catena margherita invece di utilizzare rami. In alternativa, un dispositivo buffer corrispondente può essere utilizzato per trasmettere il segnale al ramo.

Percorso di ritorno del segnale: Assicurarsi che il ritorno del segnale segua lo stesso percorso della linea del segnale. Se si utilizza un piano di terra, assicurarsi che non ci sia interruzione nella divisione del percorso del segnale di ritorno. Assicurarsi che ci sia un piano solido che attraversa tutta la lunghezza sotto la traccia e che non ci siano crepe o tagli. Se non c'è un piano solido, utilizzare una traccia di ritorno più spessa, che dovrebbe coprire tre volte la lunghezza della traccia e l'altezza del dielettrico.

Via design: Disporre tracce ad alta frequenza su uno strato per quanto possibile. Se sono necessari i vias, si prega di utilizzare micro vias invece dei vias tradizionali. Poiché i fori passanti hanno caratteristiche di capacità e induttanza significativamente diverse, minimizzano il loro uso sulle tracce del segnale. Se necessario, utilizzare micro vias con capacità e induttanza molto più piccole rispetto ai vias standard. I micro-fori aiutano anche a mantenere la lunghezza del gambo il più breve possibile. Un altro metodo è quello di utilizzare l'interconnessione ad alta densità o la tecnologia PCB HDI.

Discontinuità di impedenza e riflessione del segnale

Il segnale su una linea di trasmissione uniforme incontrerà un'impedenza costante "Zc (V/I)" in tutte le posizioni della linea e il segnale sarà trasmesso lungo di essa secondo necessità. Tuttavia, se c'è una discontinuità di impedenza in qualsiasi punto, la propagazione del segnale sarà influenzata e si verificherà la riflessione del segnale, così come la luce si rifletterà quando incontra una discontinuità nel mezzo in cui si propaga.

Vari tipi di discontinuità di impedenza e loro possibili cause:

Poiché l'impedenza della linea di trasmissione dipende dalla geometria del conduttore e dalle caratteristiche del materiale PCB, qualsiasi cambiamento di queste caratteristiche causerà il cambiamento dell'impedenza. Alcuni esempi sono elencati qui:

Alla sorgente o alla destinazione/fine della linea. L'impedenza della sorgente o dell'impedenza del ricevitore è solitamente diversa dall'impedenza della linea.

La variazione della larghezza o dell'altezza della linea (cioè dello spessore del rame) del materiale PCB tra la linea del segnale e il percorso di ritorno o la variazione di altezza e/o costante dielettrica.