PCB技術 - 制御インピーダンス回路基板の設計と配線の特性インピーダンス

近年, 高速設計の分野でますます重要な問題は 回路基板 制御インピーダンスと配線線路の特性インピーダンス 回路基板. しかし, 電子設計技師, これはむしろ混乱し、直感的な問題です. 多くの電子設計エンジニアさえ、これについて等しく混乱します.

伝送線路の特性インピーダンス

電池の観点から、設計者が電池のリード線を送電線の先端に接続すると、常に電池から流出する電流の一定値があり、電圧信号は安定したままである。何人かの人々は、どんな種類の電子構成要素がそのような振舞いを持っているかを尋ねるかもしれませんか？定電圧信号を加算すると、一定の電流値が維持される。

バッテリーの場合、信号が伝送線に沿って前方に伝播するとき、10 psの時間間隔ごとに、0.06インチの新しい伝送ライン・セグメントは1 Vに充電されるために加えられるでしょう。電池から得られる新たに増加した電荷は、安定したバッテリが維持されることを確実にする。電流は電池から一定の電流を流し、伝送線路は抵抗と等価であり、抵抗は一定である。送電線のサージインピーダンスと呼ぶ。

同様に、信号が伝送線に沿って進むと、それが進む一定の距離ごとに、信号は常に信号線の電気的環境をプローブし、さらに前進するときに信号のインピーダンスを決定しようとする。信号が伝送線路に加えられ、伝送線路に沿って伝搬されると、信号自体は、10 psの時間間隔で伝搬される伝送線路の長さを充電するためにどれだけの電流が必要かを調べ、伝送線路部分のこの部分を1 Vに充電する。これは分析したい瞬間インピーダンス値です。

バッテリ自体の観点から、信号が伝送線の方向に沿って一定速度で伝搬し、伝送線路が一様な断面を有すると仮定すると、信号が一定の長さ（例えば、信号が10 psの時間間隔で伝搬する距離）を伝播するたびに、信号が流れる。それから、それは送電線のこのセクションが同じ信号電圧に充電されることを確実とするためにバッテリーからの同じ量の量を得る必要があります。信号が一定の距離を伝播するたびに、同じ電流がバッテリから得られ、信号電圧は一貫して保たれる。信号伝搬過程では、伝送線路上の全ての瞬間インピーダンスは同じである。

伝送線路に沿った信号伝搬の過程において、伝送線路上至る所で一貫した信号伝播速度があり、単位長さ当たりのキャパシタンスも同じであるならば、信号は常に伝搬プロセス中に完全に一貫した瞬間インピーダンスを見る。インピーダンスは伝送線路全体で一定であるため、伝送線路の特性インピーダンスと呼ばれる特定の伝送線路の特性や特性を表す特定の名称を与える。特性インピーダンスは、信号が伝送線に沿って伝搬するとき、信号によって見られる瞬間インピーダンス値を意味する。信号が伝送線路に沿って伝搬している間、信号によって見られる特性インピーダンスが常に同じままである場合、そのような伝送ラインは、制御インピーダンス伝送線と呼ばれる。

伝送線路の特性インピーダンスは設計上重要な因子である

伝送線路の瞬時インピーダンスまたは特性インピーダンスは、信号品質に影響する非常に重要な要因である。隣接する信号伝播間隔間のインピーダンスが信号伝搬の間、同じままであるならば、シグナルは非常にスムーズに前方へ伝播することができます、そして、状況は非常に単純になります。

より良い信号品質を保証するために, 信号相互接続設計の目標は、信号伝送中に見られるインピーダンスができるだけ一定であることを保証することである. これは主に伝送線路の特性インピーダンスを一定に保つことを指す. したがって, デザインとデザイン PCBボードの製造 制御されたインピーダンスがますます重要になる. 他のデザイントリック, 指の長さを最小にするような, 端末マッチング, デイジーチェーン接続または分岐接続, etc., すべては、信号が一貫した瞬間インピーダンスを見ることができることを保証することです.

特性インピーダンスの計算

上記の簡単なモデルから、特性インピーダンスの値、すなわち信号の送信中に見られる瞬間インピーダンスの値を推測することができる。各伝搬間隔における信号によって見られるインピーダンスZはインピーダンスの基本的な定義と一致する

z = v / i

ここで、電圧Vとは、伝送線路に付加される信号電圧を指し、電流Iは、各時間間隔ΔTにおいて、電池から得られる総充電量ΔQを指す

私は、1 / 5につきます

伝送線路に流入する電荷（最終的に信号源からの電荷）は、信号伝搬プロセスにおいて新たに追加された信号線と戻り経路との間に形成されたキャパシタンスΔCを電圧Vに充電するために使用される

△q = v

伝送線路の単位長さ当たりの容量値CLと伝送線路上を伝搬する信号の速度Uとにより、伝搬過程のある一定の距離を伝搬する信号に起因する静電容量を関連付けることができる。同時に、信号が進む距離は、時間間隔τtに掛けられる速度Uである

△C = （CLU）

これらの方程式を組み合わせて瞬時インピーダンスを導出できる。

z＝v／i＝v／（＝0／q／t）＝v／（v≧c／ξt）＝v／（vclu−□t／□t）＝1／（clu）

瞬時インピーダンスは単位伝送線路長あたりの容量値と信号伝送速度に関係することがわかる。これは、伝送線路の特性インピーダンスとして人工的に定義することもできる。実際のインピーダンスZから特性インピーダンスを区別するために、特性インピーダンスに添字0が特に付加される。以上の導出から信号伝送線路の特性インピーダンスを求めた。

Z 0 = 1 /( CLU )

伝送線路の単位長当たりの容量値と伝送線路上で伝搬する速度が一定であれば、伝送線路はその長さが一定の特性インピーダンスを有する。このような伝送線路を制御インピーダンス伝送線路と呼ぶ

上記の簡単な説明から、静電容量に関するいくつかの直感的な知識が、特性インピーダンスの新たに発見された直感的な知識と接続できることが分かる。すなわち、PCBの信号配線を広くすれば、伝送線路の単位長さ当たりの容量値が大きくなり、伝送線路の特性インピーダンスが低下する。

興味ある話題

送電線の特性インピーダンスについてのいくつかの紛らわしい記述はしばしば聞くことができる。以上の解析によれば、信号源を伝送路に接続した後、伝送線路の特性インピーダンスの特定値、例えば50Ωを見ることができる。しかし、あなたが同じ3フィートのRG 58ケーブルにオームメーターを接続するならば、測定されたインピーダンスは無限です。この問題の答えは、伝送線路のフロントエンドから見たインピーダンス値が時間とともに変化することである。ケーブルインピーダンスを測定するための時間が信号がケーブルの前後にかかる時間に匹敵するのに十分短い場合、ケーブルのサージインピーダンスまたはケーブルの特性インピーダンスを測定することができる。しかし、十分な時間を待つ場合は、エネルギーの一部が反映され、測定器によって検出されます。このとき、インピーダンス変化を検出することができる。通常、このプロセスでは、インピーダンス値までインピーダンスが前後に変化する。安定した状態に到達する：ケーブルの端が開放されている場合、最終的なインピーダンス値は無限であり、ケーブルの端が短絡されている場合、最終的なインピーダンス値はゼロである。

3フィート長のRG 58ケーブルでは、3 ns以下の時間間隔でインピーダンス測定プロセスを完了しなければならない。これはタイムドメインリフレクトメーター( TDR )が行うことです。TDRは伝送線路の動的インピーダンスを測定することができる。3フィートのRG 58ケーブルのインピーダンスを測定するために1秒の時間間隔をとるならば、信号はこの時間間隔の間、何百万回も前後に反射されました、そして、インピーダンスの大きな変化から完全に異なるかもしれません。

以上が制御インピーダンスの説明である PCB 配線の設計と特性インピーダンス