PCB 기술 - 분석 특성 임피던스

최근 몇 년 동안 고속 설계 분야에서 점점 더 중요한 문제는 제어 저항을 가진 회로 기판의 설계 및 회로 기판의 상호 연결선의 특성 저항입니다.그러나 비전자 설계 엔지니어에게는 가장 혼란스럽고 직관적이지 않은 문제이기도 합니다.심지어 많은 전자 설계 엔지니어들도 이에 대해 곤혹스러워하고 있다.이 정보는 특성 임피던스에 대해 간략하고 직관적으로 소개할 것이며, 송전선로의 가장 기본적인 품질을 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

송전선로는 무엇입니까?

송전선로는 무엇입니까?길이가 일정한 두 도선이 하나의 전송선을 구성한다.도체 중 하나는 신호 전파 통로가 되고, 다른 도체는 신호 반환 경로를 구성한다. (여기서 우리는 신호 반환 경로를 언급한다. 그것은 실제로 모든 사람이 일반적으로 이해하는 곳이지만, 묘사하기 쉽도록 잠시 땅을 잊는다. 개념.) 다층 회로기판 설계에서각 PCB 상호 연결선은 전송선의 컨덕터를 구성하며 전송선은 인접한 참조 평면을 전송선의 두 번째 컨덕터 또는 신호 반환 경로로 사용합니다.어떤 PCB 상호 연결이 좋은 전송선입니까?일반적으로 특성 임피던스가 동일한 PCB 상호 연결선 어디에서나 일치한다면 이러한 전송선은 고품질의 전송선이 됩니다.제어된 임피던스 보드라고 하는 보드는 무엇입니까?제어 임피던스 회로 기판은 PCB의 모든 전송선의 특성 임피던스가 일관된 목표 사양을 준수한다는 것을 의미합니다.이것은 일반적으로 모든 전송선의 특성 임피던스가 25와 70 사이라는 것을 의미합니다.

신호의 각도에서

특성 임피던스를 고려하는 가장 효과적인 방법은 신호가 전송선에서 전파될 때 보이는 상황을 관찰하는 것이다.이 문제에 대한 토론을 간소화하기 위해 전송선이 마이크로밴드형이고 신호가 전송선을 따라 전파될 때 전송선의 횡단면이 일치한다고 가정한다.

진폭이 1V인 계단식 신호를 전송선에 추가합니다.스텝 신호는 1V 배터리로 프런트엔드를 통해 연결되며 신호선과 반환 경로 사이에 연결됩니다.배터리가 연결되는 순간, 신호 전압 파형은 광속으로 전매체에서 전파될 것이며, 보통 약 6인치/ns의 속도로 전파될 것이다 (왜 신호가 약 1cm/s의 전자 전파 속도에 가깝지 않고 이렇게 빨리 전파되는지는 또 다른 주제이다. 여기서 더 이상 설명하지 않았다).물론 이곳의 신호는 여전히 전통적인 정의를 가지고 있다.신호는 신호선과 반환 경로 사이의 전압 차로 정의되며, 이 전압 차는 항상 전송선의 모든 점과 인접한 신호 반환 경로의 전압 차를 측정하여 얻어집니다.

이 신호는 전송선을 따라 6인치/ns의 속도로 전달되었다.신호가 전송되는 동안 어떤 상황이 발생합니까?첫 번째 10ps 간격으로 신호는 전송선을 따라 0.06인치 거리를 전파했다.잠금 시간이 이때라고 가정하고 송전선로에서 발생하는 상황을 고려하십시오.이 행진거리에서 신호의 전송은 전송선의 이 부분과 상응한 린접신호귀환통로 사이에 진폭이 1V인 안정항정신호를 구축하였다.이것은 추가적인 양전하와 추가적인 음전하가 이미 전송선의 이 부분과 상응한 귀환경로에 축적되여 이런 안정적인 전압을 구축하였음을 의미한다.바로 이러한 전하의 차이는 두 도체 사이에 안정적인 1V 전압 신호를 구축하고 유지하며, 도체 사이의 안정적인 전압 신호는 두 도선 사이에 용량을 구축한다.

전송선의 신호파 앞뒤의 전송선 세그먼트는 신호가 전파될 수 있는지 알 수 없기 때문에 신호선과 반환 경로 사이의 전압은 여전히 0을 유지한다.다음 10ps 간격으로 신호는 전송선을 따라 일정한 거리를 전파한다.신호가 계속 전파되기 때문에 길이가 0.06인치인 다른 전송 세그먼트와 해당 신호 반환 경로 사이에 1V 전송 세그먼트가 설정됩니다.신호 전압.이를 위해서는 일정량의 양전하를 신호선에 주입하고 같은 양의 음전하를 신호에 주입해 경로를 되돌려야 한다.전송선을 따라 0.06인치당 신호 전파의 경우 더 많은 양전하가 신호선에 주입되고 더 많은 음전하가 신호 반환 경로에 주입됩니다.10ps 간격으로 전송선의 다른 구간은 1V로 충전되며 신호는 전송선의 방향을 따라 계속 전파됩니다.

이 혐의들은 어디에서 나온 것입니까?해답은 신호 소스, 즉 스텝 신호를 제공하고 전송선 앞부분에 연결된 배터리에서 나온 것입니다.신호가 전송선에서 전파될 때 신호는 전파된 전송선단을 련속 충전하여 신호가 전송되는 어느 곳에서나 신호선과 귀환경로 사이에 1V의 전압을 구축하고 유지하도록 확보한다.신호는 10ps의 간격마다 송전선로에서 일정한 거리를 전파하고 전력계통에서 일정량의 전하를 추출한다.배터리는 일정한 신호 전류를 형성하기 위해 일정 기간 외부에 일정량의 전하를 공급한다.양전류는 배터리에서 신호선으로 유입되며, 동시에 같은 크기의 음전류는 신호 반환 경로를 흐른다.

신호 반환 경로를 통과하는 음전류는 신호선으로 유입되는 양전류와 동일합니다.또한 신호파 앞의 위치에서 AC 전류는 신호선과 신호 귀환 경로로 형성된 콘덴서를 흘러 신호 루프를 완성한다.

송전선로 특성 임피던스

배터리의 관점에서 볼 때, 일단 설계 엔지니어가 배터리의 지시선을 송전선로의 앞부분에 연결하면, 배터리에는 항상 일정한 값의 전류가 흘러나오고 전압 신호가 안정적으로 유지됩니다.어떤 전자 부품이 이런 행동을 할 수 있는지 물어볼 수도 있다.고정 전압 신호를 넣으면 고정 전류 값을 유지합니다. 이것은 당연히 저항입니다.

배터리의 경우 신호가 전송선을 따라 앞으로 전파될 때 10ps의 간격마다 0.06인치의 새로운 전송선 세그먼트가 추가돼 1V로 충전된다.배터리에서 얻은 새로 증가한 전하로 배터리의 안정성을 확보하였다.전류는 전지에서 일정한 전류를 섭취하는데 전송선은 저항기에 해당하며 저항은 고정적이다.우리는 이를 전송선의 서지 임피던스라고 부른다.

이와 마찬가지로 신호가 전송선을 따라 앞으로 전파될 때 일정한 거리를 전파할 때마다 신호는 끊임없이 신호선의 전기환경을 탐측하고 신호가 진일보 앞으로 전파될 때 신호의 저항을 확정하려고 시도한다.신호가 전송선에 추가되어 전송선을 따라 전파되면 신호 자체는 10ps 간격으로 전파되는 전송선의 길이를 충전하기 위해 얼마나 많은 전류가 필요한지 검사하고 전송선의 이 부분을 1V로 충전합니다.이것은 우리가 분석하고자 하는 순간 임피던스 값이다.

배터리 자체의 관점에서 볼 때, 신호가 일정한 속도로 전송선의 방향을 따라 전파되고 전송선이 균일한 횡단면을 가지고 있다고 가정할 때, 신호가 10ps의 시간 간격으로 전파되는 거리와 같은 고정된 길이를 전파할 때마다그러면 전송선의 이 부분이 동일한 신호 전압으로 충전되도록 배터리에서 동일한 양의 전하를 얻어야 합니다.신호가 고정 거리를 전파할 때마다 배터리에서 동일한 전류가 공급되며 신호 전압은 동일하게 유지됩니다.신호가 전파되는 과정에서 전송선 곳곳의 순간 임피던스는 모두 같다.

신호가 전송선을 따라 전파되는 과정에서 전송선 곳곳에 일치하는 신호 전파 속도가 있고 단위 길이의 용량도 같다면 신호는 전파 과정에서 항상 완전히 일치하는 순간 저항을 볼 수 있다.임피던스는 전체 전송선에서 변하지 않기 때문에, 우리는 특정 전송선의 이러한 특성이나 특성을 나타내는 특정한 이름을 제시했는데, 이를 전송선의 특성 임피던스라고 한다.특성 임피던스는 신호가 전송선을 따라 전파될 때 신호가 보이는 순간 임피던스 값을 말한다.만약 신호가 전송선을 따라 전파될 때 신호가 보는 특성의 저항이 시종 변하지 않는다면 이런 전송선을 통제된 저항전송선이라고 한다.

송전선로의 특성 임피던스는 설계에서 가장 중요한 요소이다.

전송선의 순간 저항이나 특성 저항은 신호의 질에 영향을 주는 가장 중요한 요소이다.신호가 전파되는 동안 인접한 신호 전파 간격 사이의 임피던스가 변하지 않으면 신호는 매우 매끄럽게 앞으로 전파될 수 있으며 상황은 매우 간단해집니다.인접 신호의 전파 간격 사이에 차이가 있거나 임피던스가 변경되면 신호의 일부 에너지가 반사되어 신호 전송의 연속성도 파괴됩니다.

최적의 신호 품질을 보장하기 위해 신호 상호 연결 설계의 목표는 신호가 전송 중에 보이는 임피던스를 가능한 한 일정하게 유지하는 것입니다.이것은 주로 전송선의 특성 임피던스를 일정하게 유지하는 것을 가리킨다.따라서 제어 가능한 임피던스를 갖춘 PCB 보드의 설계와 제조가 점점 더 중요해지고 있습니다.손가락 길이 최소화, 끝 일치, 데이지 체인 연결 또는 브랜치 연결 등과 같은 다른 설계 기법은 신호가 일관된 순간 임피던스를 볼 수 있도록 보장하기 위한 것입니다.

특성 임피던스 계산

위의 간단한 모델에서 우리는 특징 임피던스의 값, 즉 신호 전송 과정에서 보이는 순간 임피던스의 값을 유도할 수 있다.각 전파 간격에 표시되는 신호의 임피던스 Z는 임피던스의 기본 정의와 일치합니다.

Z=V/I

여기서 전압 V는 전송선에 추가된 신호 전압이고, 전류 I는 각 시간 간격 내에서 배터리에서 얻은 총 전하량 Isla´Q를 가리키기 때문에

I = 질문 / 질문

전송선으로 유입되는 전하 (전하는 최종적으로 신호원에서 발생) 는 신호 전파 과정에서 새로 추가된 신호선과 반환 경로 사이에 형성된 커패시터 C를 전압 V로 충전하기 때문에

섬 Q = V 섬 C

우리는 신호가 전파되는 과정에서 일정한 거리를 전파하여 발생하는 용량을 전송선의 단위당 길이의 용량값 CL과 신호가 전송선에서 업로드되고 방송되는 속도 U와 련계시킬수 있다.동시에 신호가 전파되는 거리는 속도 U에 시간 간격을 곱하는 것이다.그래서

C 섬 = CL U 섬

위의 모든 방정식을 결합하면 다음과 같은 순간 임피던스를 내보낼 수 있습니다.

Z=V/I=V/(Q섬/섬) =V/

순간 임피던스는 단위 전송 회선 길이의 커패시터 값과 신호 전송 속도와 관련이 있음을 알 수 있다.이것은 또한 전송선의 특성 임피던스로 인위적으로 정의될 수 있습니다.특성 임피던스와 실제 임피던스 Z를 구분하기 위해 특성 임피던스에 아래 첨자 0을 특별히 추가했습니다.신호 전송선의 특성 임피던스는 위의 유도에서 이미 얻어졌습니다.

Z0=1/（clu）

전송선의 각 단위 길이에 대한 커패시터 값과 신호가 전송선에서 전파되는 속도가 일정하게 유지되면 전송선의 길이 내에 일정한 특성 임피던스가 있습니다.이 전송선을 제어 임피던스 전송선이라고 합니다.

위의 간략한 설명에서 볼 수 있듯이, 용량에 관한 일부 직관 지식은 새로 발견된 특성 임피던스에 대한 직관 지식과 연결될 수 있다.즉, PCB에서 신호 경로설정이 넓어지면 전송선의 단위 길이당 커패시터 값이 증가하고 전송선의 특성 임피던스가 감소할 수 있습니다.

재미있는 이야기

송전선로의 특성 임피던스에 관해서는 종종 곤혹스러운 말을 들을 수 있다.위의 분석에 따르면 신호 소스를 전송선에 연결하면 50섬과 같은 전송선의 특성 임피던스 값을 볼 수 있어야 합니다.그러나 옴표를 같은 3피트 길이의 RG58 케이블에 연결하면 임피던스가 무한히 측정됩니다.

이 질문에 대한 대답은 전송선의 프런트엔드에서 보는 임피던스 값이 시간이 지남에 따라 달라진다는 것입니다.케이블 임피던스를 측정하는 데 필요한 시간만큼 짧은 시간이 걸리고 신호가 케이블로 전파되는 시간이 걸리면 케이블의 서지 임피던스 또는 케이블의 특성 임피던스를 측정할 수 있습니다.그러나 충분한 시간을 기다리면 에너지의 일부가 반사되어 측정 장비에 의해 감지됩니다.이제 임피던스 변화를 감지할 수 있습니다.일반적으로 이 과정에서 임피던스는 임피던스 값까지 왔다갔다합니다.안정 상태: 케이블 끝에 회로가 설정되면 최종 임피던스 값은 무한대이고 케이블 끝에 단락이 발생하면 최종 임피던스 값은 0입니다.

3피트 길이 RG58 케이블의 경우 임피던스 측정 프로세스가 3ns 미만의 간격으로 수행되어야 합니다.이것이 TDR(시간역반사계)입니다. TDR은 전송선의 동적 임피던스를 측정합니다.만약 3피트 길이의 RG58 케이블의 임피던스를 측정하는 데 1s의 시간 간격이 필요하다면, 이 시간 간격 동안 신호가 수백만 번 왕복 반사되었다면, 당신은 임피던스의 큰 변화와는 전혀 다른 임피던스 값을 얻을 수 있을 것이다. 최종 결과는 무한대이다. 왜냐하면 케이블의 끝은 길을 열기 때문이다.