PCB Tecnico - Analizza l'impedenza caratteristica

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 il problema più confuso e meno intuitivo. Anche molti ingegneri di progettazione elettronica sono altrettanto confusi su questo. Queste informazioni forniranno una breve ed intuitiva introduzione alla caratteristica impedenza, sperando di aiutarvi a capire la qualità più basilare della linea di trasmissione.

Cos'è una linea di trasmissione?

Cos'è una linea di trasmissione? Due conduttori con una certa lunghezza costituiscono una linea di trasmissione. Uno dei conduttori diventa il canale di propagazione del segnale, mentre l'altro conduttore costituisce il percorso di ritorno del segnale (qui si parla del percorso di ritorno del segnale, che in realtà è il terreno che tutti di solito comprendono, ma per comodità della descrizione, dimenticare il terreno per il momento. Il concetto). ogni linea di interconnessione PCB costituisce un conduttore nella linea di trasmissione e la linea di trasmissione utilizza il piano di riferimento adiacente come secondo conduttore o percorso di ritorno del segnale della linea di trasmissione. Che tipo di linea di interconnessione PCB è una buona linea di trasmissione? Generalmente, se l'impedenza caratteristica è costante ovunque sulla stessa linea di interconnessione PCB, tale linea di trasmissione diventa una linea di trasmissione di alta qualità. Che tipo di circuito è chiamato circuito stampato ad impedenza controllata? Un circuito ad impedenza controllata significa che l'impedenza caratteristica di tutte le linee di trasmissione sul PCB soddisfa una specifica obiettivo unificata. Di solito significa che l'impedenza caratteristica di tutte le linee di trasmissione è compresa tra 25Ω e 70Ω.

Dal punto di vista del segnale

Il modo più efficace per considerare l'impedenza caratteristica è quello di guardare ciò che il segnale stesso vede mentre si propaga lungo la linea di trasmissione. Per semplificare la discussione del problema, si presume che la linea di trasmissione sia un tipo microtrip e che la sezione trasversale della linea di trasmissione sia coerente quando il segnale si propaga lungo la linea di trasmissione.

Aggiungere un segnale passo con un'ampiezza di 1V alla linea di trasmissione. Il segnale passo è una batteria da 1V, che è collegata dall'estremità anteriore e collegata tra la linea del segnale e il percorso di ritorno. Nel momento in cui la batteria è accesa, la forma d'onda di tensione del segnale viaggerà nel dielettrico alla velocità della luce, di solito ad una velocità di circa 6 pollici / ns (perché il segnale viaggia così veloce, piuttosto che vicino alla velocità di propagazione dell'elettrone di circa 1 cm / s, questo è un altro argomento, nessuna ulteriore introduzione qui). Naturalmente, il segnale qui ha ancora una definizione convenzionale. Il segnale è definito come la differenza di tensione tra la linea di segnale e il percorso di ritorno, che si ottiene sempre misurando la differenza di tensione tra qualsiasi punto della linea di trasmissione e il percorso di ritorno del segnale adiacente.

Il segnale viene inoltrato lungo la linea di trasmissione ad una velocità di 6 pollici/ns. Che tipo di situazione incontrerà il segnale durante la trasmissione? Nel primo intervallo di tempo 10ps, il segnale ha percorso una distanza di 0,06 pollici lungo la linea di trasmissione. Supponendo che il tempo di blocco sia in questo momento, considera cosa succede sulla linea di trasmissione. Su questa distanza di viaggio, la trasmissione del segnale stabilisce un segnale costante stabile con un'ampiezza di 1V tra questa sezione della linea di trasmissione e il corrispondente canale adiacente di ritorno del segnale. Ciò significa che sono state accumulate cariche extra positive e cariche extra negative su questa sezione della linea di trasmissione e sul percorso di ritorno corrispondente per stabilire questa tensione stabile. È la differenza di queste cariche che stabilisce e mantiene un segnale di tensione stabile di 1 V tra i due conduttori e il segnale di tensione stabile tra i conduttori stabilisce una capacità tra i due conduttori.

Il segmento della linea di trasmissione dietro il fronte d'onda del segnale sulla linea di trasmissione non è chiaro che ci sarà un segnale da propagare, quindi la tensione tra la linea del segnale e il percorso di ritorno è ancora mantenuta a zero. Nel prossimo intervallo di tempo 10ps, il segnale percorrerà una certa distanza lungo la linea di trasmissione. Come risultato del segnale che continua a propagarsi, una linea di trasmissione 1V sarà stabilita tra un altro segmento di linea di trasmissione con una lunghezza di 0,06 pollici e il percorso di ritorno del segnale corrispondente. Tensione del segnale. Per fare questo, una certa quantità di carica positiva deve essere iniettata nella linea del segnale e la stessa quantità di carica negativa deve essere iniettata nel percorso di ritorno del segnale. Per ogni 0,06 pollici di propagazione del segnale lungo la linea di trasmissione, più cariche positive saranno iniettate nella linea del segnale e più cariche negative saranno iniettate nel percorso di ritorno del segnale. Ogni intervallo di tempo 10ps, un'altra sezione della linea di trasmissione sarà caricata a 1 V e il segnale continuerà a propagarsi lungo la direzione della linea di trasmissione.

Da dove vengono queste accuse? La risposta viene dalla sorgente del segnale, che è la batteria che usiamo per fornire il segnale di passo e collegarci all'estremità anteriore della linea di trasmissione. Mentre il segnale si propaga sulla linea di trasmissione, il segnale carica continuamente il segmento della linea di trasmissione attraverso cui si propaga, assicurando che sia stabilita e mantenuta una tensione di 1 V tra la linea di segnale e il percorso di ritorno ovunque il segnale sia trasmesso. Ogni intervallo di tempo 10ps, il segnale percorre una certa distanza sulla linea di trasmissione e preleva una certa quantità di carica δQ dal sistema di alimentazione. La batteria fornisce una certa quantità di carica verso l'esterno entro un periodo di tempo δt formare una corrente di segnale costante. Una corrente positiva scorre dalla batteria nella linea del segnale e allo stesso tempo una corrente negativa della stessa grandezza scorre attraverso il percorso di ritorno del segnale.

La corrente negativa che scorre attraverso il percorso di ritorno del segnale è esattamente la stessa della corrente positiva che scorre nella linea del segnale. Inoltre, alla posizione del fronte d'onda del segnale, la corrente CA scorre attraverso il condensatore formato dalla linea del segnale e dal percorso di ritorno del segnale, completando il ciclo del segnale.

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 quanto riguarda la batteria, quando il segnale si propaga in avanti lungo la linea di trasmissione, ogni intervallo di tempo 10ps, un nuovo segmento della linea di trasmissione di 0,06 pollici sarà aggiunto per essere caricato 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 che si propaga 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 il fattore più importante nella progettazione

L'impedenza istantanea o l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione è il fattore più 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. Se c'è una differenza tra gli intervalli adiacenti di propagazione del segnale, o l'impedenza cambia, parte dell'energia nel segnale verrà riflessa indietro e la continuità della trasmissione del segnale sarà distrutta.

Al fine di garantire la migliore qualità del segnale, l'obiettivo del progetto di interconnessione del segnale è quello di garantire che l'impedenza vista dal segnale durante la trasmissione 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, la corrispondenza del terminale, il collegamento a catena margherita o il collegamento di 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. Quindi

δC = CL U δt

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

Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(VδC/δt)=V/(V CL U δt/δt)=1/(CL U)

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/(U CL)

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.