Teknik PCB - Rancangan papan sirkuit pengendalian terkawal dan pengendalian karakteristik garis sambungan

Dalam tahun-tahun terakhir, satu isu yang semakin penting dalam bidang desain kelajuan tinggi adalah desain papan sirkuit dengan impedance kawal dan impedance karakteristik garis saling sambung pada papan sirkuit. Bagaimanapun, untuk jurutera rancangan bukan elektronik, ini juga masalah yang agak membingungkan dan tidak bermaksud. Walaupun banyak jurutera rancangan elektronik juga bingung tentang ini.

Pencegahan karakteristik garis penghantaran

Dari perspektif bateri, apabila jurutera merancang menyambungkan pemimpin bateri ke ujung depan garis penghantaran, sentiasa ada nilai konstan semasa mengalir keluar dari bateri, dan isyarat tegangan tetap stabil. Sesetengah orang mungkin bertanya, apa jenis komponen elektronik mempunyai perilaku seperti itu? Apabila isyarat tekanan konstan ditambah, ia akan menyimpan nilai semasa konstan, yang tentu saja adalah lawan.

Untuk bateri, apabila isyarat menyebar ke hadapan sepanjang garis pemindahan, setiap selang masa 10ps, segmen garis pemindahan baru 0.06 inci akan ditambah untuk dimuatkan ke 1V. Muatan baru ditambah yang diperoleh dari bateri memastikan bateri yang stabil disimpan. Semasa melukis semasa konstan dari bateri, garis transmisi sama dengan penentang, dan penentangan konstan. Kami menyebutnya pengendalian tumpuan garis transmisi.

Sama seperti, apabila isyarat mengembara ke hadapan sepanjang garis transmisi, setiap jarak tertentu yang ia mengembara, isyarat akan terus mengesan persekitaran elektrik garis isyarat dan cuba menentukan halangan isyarat apabila ia mengembara ke hadapan lebih jauh. Setelah isyarat telah ditambah ke garis penghantaran dan disebarkan sepanjang garis penghantaran, isyarat sendiri telah memeriksa berapa banyak arus diperlukan untuk mengisi panjang garis penghantaran yang disebarkan dalam jangkauan masa 10ps, dan menjaga bahagian ini dari segmen garis penghantaran yang diperiksa kepada 1V. Inilah nilai impedance yang kita mahu analisis.

Dari perspektif bateri sendiri, jika isyarat menyebar sepanjang arah garis penghantaran dengan kelajuan konstan, dan menganggap garis penghantaran mempunyai segi salib seragam, maka setiap kali isyarat menyebar panjang tetap (seperti jarak isyarat menyebar dalam selang masa 10ps), Kemudian ia memerlukan jumlah muatan yang sama dari bateri untuk memastikan seksyen ini garis transmisi dimuatkan ke voltas isyarat yang sama. Setiap kali isyarat menyebarkan jarak tertentu, arus yang sama akan diperoleh dari bateri dan tekanan isyarat akan terus konsisten. Semasa proses penyebaran isyarat, impedance segera di mana-mana di garis transmisi adalah sama.

Dalam proses penyebaran isyarat sepanjang garis penyerahan, jika terdapat kelajuan penyebaran isyarat konsisten di mana-mana pada garis penyerahan, dan kapasitasi per unit panjang juga sama, maka isyarat akan sentiasa melihat pengendalian secara konsisten seketika semasa proses penyerahan. Oleh kerana pengendalian tetap konstan di seluruh garis penghantaran, kita memberikan nama khusus untuk mewakili karakteristik atau karakteristik ini bagi garis penghantaran khusus, yang dipanggil pengendalian karakteristik garis penghantaran. Impedansi karakteristik merujuk kepada nilai impedance seketika yang dilihat oleh isyarat apabila isyarat menyebar sepanjang garis penghantaran. Jika pengendalian karakteristik yang dilihat oleh isyarat tetap sama setiap masa semasa isyarat berkembang sepanjang garis penghantaran, maka garis penghantaran seperti ini dipanggil garis penghantaran pengendalian terkawal.

Keterangan karakteristik garis penghantaran adalah faktor yang sangat penting dalam rancangan

Impedansi seketika atau Impedansi karakteristik garis penghantaran adalah faktor yang sangat penting yang mempengaruhi kualiti isyarat. Jika pengendalian antara selang penyebaran isyarat bersebelahan tetap sama semasa penyebaran isyarat, maka isyarat boleh menyebar ke hadapan dengan lancar, dan keadaan menjadi sangat mudah.

Untuk memastikan kualiti isyarat yang lebih baik, tujuan rancangan sambungan isyarat adalah memastikan impedance yang dilihat semasa penghantaran isyarat tetap sebaik mungkin. Ini merujuk terutama untuk menjaga keterlaluan karakteristik garis penghantaran tetap. Oleh itu, desain dan penghasilan papan PCB dengan impedance kawal menjadi semakin penting. Bagi mana-mana trik reka lain, seperti mengurangi panjang jari, persamaan terminal, sambungan rantai daisy atau sambungan cabang, dll., semua adalah untuk memastikan isyarat boleh melihat impedance secara seketika konsisten.

Kalkulasi impedance karakteristik

Dari model sederhana di atas, kita boleh kesimpulkan nilai impedance karakteristik, iaitu nilai impedance seketika yang dilihat semasa penghantaran isyarat. Impedansi Z yang dilihat oleh isyarat dalam setiap selang penyebaran konsisten dengan definisi asas impedance

Z=V/I

Tekanan V di sini merujuk kepada tekanan isyarat yang ditambah ke garis pemindahan, dan semasa I merujuk kepada jumlah jumlah muatan δQ yang diperoleh dari bateri dalam setiap selang masa δt, jadi

I=δQ/δt

Muatan yang mengalir ke dalam garis pemindahan (muatan akhirnya datang dari sumber isyarat) digunakan untuk memuatkan kapasitasi δC terbentuk antara garis isyarat baru ditambah dan laluan kembali dalam proses pemindahan isyarat ke voltaj V, jadi

δQ=V δC

Kita boleh menghubungkan kapasitasi disebabkan oleh isyarat mengembara jarak tertentu semasa proses penyebaran dengan nilai kapasitasi CL per unit panjang garis penyerahan dan kelajuan U bagi isyarat penyebaran pada garis penyerahan. Pada masa yang sama, jarak yang isyarat perjalanan adalah kelajuan U darab dengan selang masa δt. Jadi

δC=CLU δt

Menggabungkan semua persamaan di atas, kita boleh mengambilnya sebagai:

Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(V δC/δt)=V/(VCLU δt/δt)=1/(CLU)

Ia boleh dilihat bahawa impedance seketika berkaitan dengan nilai kapasitasi per unit garis penghantaran panjang dan kelajuan penghantaran isyarat. Ini juga boleh ditakrif secara buatan sebagai pengendalian karakteristik garis penghantaran. Untuk membezakan impedance karakteristik dari impedance Z sebenar, subskrip 0 ditambah secara khusus ke impedance karakteristik. Pencegahan karakteristik garis penghantaran isyarat telah diperoleh dari derivasi di atas:

Z0 = 1/(CLU)

Jika nilai kapasitasi per unit panjang garis penghantaran dan kelajuan pada mana isyarat memperluas pada garis penghantaran tetap konstan, maka garis penghantaran mempunyai pengendalian karakteristik konstan dalam panjangnya. Garis penghantaran seperti ini dipanggil garis penghantaran impedance terkawal

Ia boleh dilihat dari keterangan singkat di atas bahawa beberapa pengetahuan intuitif mengenai kapasitas boleh terhubung dengan pengetahuan intuitif yang baru ditemui mengenai impedance karakteristik. Dengan kata lain, jika wayar isyarat dalam PCB diperbesar, nilai kapasitasi per unit panjang garis trasmis akan meningkat, dan pengendalian karakteristik garis trasmis boleh dikurangkan.

Topik menarik

Beberapa pernyataan yang mengelirukan mengenai pengendalian karakteristik garis penghantaran sering boleh didengar. Menurut analisis di atas, selepas menyambung sumber isyarat ke garis penghantaran, anda patut dapat melihat nilai tertentu impedance karakteristik garis penghantaran, misalnya, 50Ω. Bagaimanapun, jika anda menyambungkan ohmmeter ke kabel RG58 panjang 3 kaki yang sama, impedance diukur adalah tidak terbatas. Jawapan kepada soalan adalah bahawa nilai impedance yang dilihat dari bahagian depan mana-mana garis penghantaran berubah dengan masa. Jika masa untuk mengukur impedance kabel cukup pendek untuk dapat dibandingkan dengan masa isyarat mengambil untuk kembali dan keluar dalam kabel, anda boleh mengukur impedance tumbuhan kabel atau impedance karakteristik kabel. Bagaimanapun, jika and a menunggu cukup masa, sebahagian daripada tenaga akan dikesan kembali dan dikesan oleh instrumen pengukuran. Pada masa ini, perubahan impedance boleh dikesan. Biasanya, dalam proses ini, impedance akan berubah balik dan balik sehingga nilai impedance. Keadaan stabil dicapai: jika akhir kabel terbuka, nilai impedance akhir adalah tak terbatas, dan jika akhir kabel adalah sirkuit pendek, nilai impedance akhir adalah sifar.

Untuk kabel RG58 panjang 3 kaki, proses pengukuran impedance mesti selesai dalam selang masa kurang dari 3ns. Inilah yang akan dilakukan Reflektometer Domain Masa (TDR). TDR boleh mengukur impedance dinamik garis penghantaran. Jika ia memerlukan selang masa 1s untuk mengukur impedance kabel RG58 3 kaki panjang, maka isyarat telah direfleksikan kembali dan balik jutaan kali selama selang masa ini, maka and a mungkin mendapat sepenuhnya berbeza dari perubahan besar dalam impedance Nilai impedance, hasil akhir adalah tidak terbatas, kerana terminal kabel terbuka.

Yang di atas adalah keterangan rancangan PCB impedance terkawal dan impedance karakteristik garis sambungan