PCB技術 - 高速設計におけるPCB技術の特性インピーダンス問題

私n high-speed デザイン, the 特性インピーダンス 制御可能なインピーダンスボードとラインの最も重要で一般的な問題の一つです. 最初に、伝送線の定義を理解してください：伝送線はある長さの2つの導体から成ります, つのコンダクターは、信号を送るのに用いられます, and the other is used to receive signals (remember the concept of "loop" instead of "ground"). 多層板内, 各行は伝送線路の構成要素である, そして、隣接した参照面は、第2のラインまたはループとして使うことができる. “良いパフォーマンス”伝送ラインになるための鍵は 特性インピーダンス 線を通して定数.

回路基板に対するキーは、全ての回路の特性インピーダンスを、通常、25オームと70オームの間で所定の値を満たすようにすることである。多層回路基板では、良好な伝送線路性能の鍵は、その特性インピーダンスをライン全体にわたって一定に保つことである。

しかし、何が 特性インピーダンス? 理解する最も簡単な方法 特性インピーダンス 送信中に信号がどのように遭遇するのかを見る. 同じ断面を持つ送電線に沿って動くとき, これは、図1に示すマイクロ波送信と類似している. この伝送線路に1ボルトの電圧ステップ波を加えたとする. 例えば, a 1 volt battery is connected to the front end of the transmission line (it is located between the transmission line and the loop). 接続, 電圧波信号は光の速度で線に沿って進む. 伝播, その速度は通常約6インチです/ナノ秒. もちろん, この信号は、実際には伝送線路とループとの間の電圧差である, そして、それは、伝送線路の任意の点およびループの隣接する点から測定することができる. イチジク. 図2は、電圧信号の伝送の概略図である.

Zenの方法は、最初に「信号を生成します」、そして、それからナノ秒につき6インチの速度でこの伝送線に沿ってそれを伝播することです。最初の0.01ナノ秒は0.06インチ進んだ。このとき、送信ラインは過剰な正電荷を有し、ループは過剰な負電荷を有する。それは、2つの導体の間の1ボルトの電圧差を維持するこれらの2種類の料金の違いです。そして、これらの2つの導体は、コンデンサを形成する。

次の0.01ナノ秒で、0 . 06インチの伝送ラインの電圧を0ボルトから1ボルトまで調整するためには、伝送ラインにいくつかの正電荷を追加し、負の電荷を受信線に加える必要がある。運動のあらゆる0.06インチのために、より多くの正電荷を伝送線に加えなければなりません、そして、より多くの否定的なチャージはループに加えられなければなりません。0.01ナノ秒毎に、伝送線路の別のセクションを充電しなければならず、信号はこのセクションに沿って伝搬し始める。充電は送電線の先端の電池から来る。この線に沿って移動すると、伝送線路の連続部分が充電され、伝送線路とループとの間に1ボルトの電圧差が形成される。すべての0.01ナノ秒の前進の場合、電池からいくらかの電荷（≒±Q）が得られ、一定時間間隔（≒t）で電池から流出する一定量の電力（ARE±Q）が定電流である。ループに流れる負の電流は実際に流れる電流と同じであり、信号波の先端にちょうどある。AC電流は、上下のラインにより形成されるコンデンサを通過して、全サイクルを終了する。

線路のインピーダンス

電池では、信号が伝送線に沿って伝搬するとき、連続0.06インチ伝送線路セグメントは0.01ナノ秒毎に充電される。電源から一定の電流が得られると、伝送線路はインピーダンス素子のようになり、そのインピーダンス値は一定であり、伝送線路のサージインピーダンスと呼ばれる。

同様に、信号がラインに沿って伝播するとき、次のステップの前に、0.01ナノ秒以内に、どの電流が1ボルトまでこのステップの電圧を増加させることができるか。これは瞬時インピーダンスの概念を含んでいる。

電池の観点から、信号が安定した速度で伝送線路に沿って伝搬し、伝送線路が同じ断面積を有する場合、同じナノ数の0.01ナノ秒のステップごとに同じ量の電荷が必要となり、同じ信号電圧を生成する。この線に沿って進むと、同じ瞬間インピーダンスが生成され、伝送線路の特性として特性インピーダンスと呼ばれる。伝送プロセスの各ステップでの信号の特性インピーダンスが同じである場合、伝送線路は制御可能なインピーダンス伝送線とみなすことができる。

瞬時インピーダンスまたは特性インピーダンスは、信号伝送の品質に非常に重要である。転送プロセスの間、次のステップのインピーダンスが前のステップのインピーダンスに等しいならば、仕事はスムーズに進むことができます、しかし、インピーダンスが変わるならば、若干の問題は起こります。

最高の信号品質を達成するために、内部接続の設計目標は、信号伝達過程の間、インピーダンスをできるだけ安定しておくことである。まず、伝送線路の特性インピーダンスを安定して保持しなければならない。したがって、制御可能なインピーダンスボードの製造はますます重要になる。加えて、信号伝送における瞬時インピーダンスの安定性を維持するために、残りのワイヤ長、端部除去、および全ワイヤ使用のような他の方法も使用される。

特性インピーダンスの計算

簡単な特性インピーダンスモデル：Z＝V／I、Zは信号伝送過程における各ステップのインピーダンス、Vは伝送線路に入るときの電圧、Iは電流を表す。i＝対数±Q／ARES±T、Qは電気、Tは各ステップの時間を表す。

電気（バッテリから）：±±Q＝ARY±C * V、Cは容量、Vは電圧を示す。伝送線路の単位長あたりの容量CLと信号伝送速度Vとにより容量を推定することができる。単位ピンの長さ値を速度と見なし、各ステップに要する時間tを掛け合わせたとき、式は得られる。特性インピーダンスを得ることができます：Z = V / I = V /( AZ±Q / ARES±T ) = V /( AZ±C * V / ARES±T )= V /( CL * V * ( ARE±) T * V / ARES±T )= 1 /( CL * V )

特性インピーダンスは伝送線路の単位長さ容量と信号伝送速度に関係することが分かった。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、Zの後に0を加える。伝送線路の特性インピーダンスはZ 0＝1／（CL * V）である。

伝送線路の単位長さ当たりの容量および信号伝送速度が変化しない場合、伝送線路の特性インピーダンスも変化しない。この簡単な説明は、新たに発見された特性インピーダンス理論とキャパシタンスのコモンセンスを接続することができます。伝送線路を厚くする等の伝送線路の単位長さ当たりの容量を増加すれば、伝送線路の特性インピーダンスを低減することができる。

測定 特性インピーダンス

バッテリーが送電線に接続されているとき（インピーダンスがその時50オームであると仮定して）、3メートルのRG 58光ケーブルにオームメーターを接続してください。このとき無限のインピーダンスを測定する方法は？伝送線路のインピーダンスは時間に関係する。光ファイバケーブルの反射より短い時間で光ファイバケーブルのインピーダンスを測定すると、「サージ」インピーダンス、または特性インピーダンスを測定している。しかし、エネルギーが戻って、反射されるまで、あなたが十分長く待つならば、インピーダンスは測定の後、変わるかもしれません。一般的に言えば、インピーダンス値は上下反転して安定した限界値に達する。

3フィートの光ケーブルの場合、インピーダンス測定は3ナノ秒以内に完了しなければならない。TDR（Time Domain Reflattometer）により、伝送線路のダイナミックインピーダンスを測定することができる。あなたが1秒以内に3フィートの光ファイバケーブルのインピーダンスを測定するならば、信号は何百万回も反射されます。そして、異なる「サージ」インピーダンスに終わります。