Teknik PCB - Sepuluh Panduan Projek PCB Kelajuan Tinggi: Masalah Keputusan Karakteristik

Dalam rancangan kelajuan tinggi, pengendalian karakteristik papan pengendalian yang boleh dikawal dan sirkuit mengganggu banyak jurutera Cina. Artikel ini memperkenalkan ciri-ciri asas, kalkulasi dan kaedah pengukuran impedance karakteristik melalui kaedah sederhana dan intuitif.

Dalam rancangan kelajuan tinggi, pengendalian karakteristik papan dan garis pengendalian yang boleh dikawal adalah salah satu masalah yang paling penting dan umum. Pertama faham takrifan garis penghantaran: garis penghantaran terdiri dari dua konduktor dengan panjang tertentu, satu konduktor digunakan untuk menghantar isyarat, dan yang lain digunakan untuk menerima isyarat (ingat konsep "loop" daripada "ground"). Dalam papan berbilang lapisan, setiap garis adalah komponen garis penghantaran, dan pesawat rujukan bersebelahan boleh digunakan sebagai garis atau loop kedua. Kunci untuk garis menjadi garis penghantaran "prestasi yang baik" adalah untuk menjaga keterangan impedance konstan sepanjang garis.

Kunci papan sirkuit menjadi papan impedance yang boleh dikawal adalah untuk membuat impedance karakteristik semua sirkuit memenuhi nilai tertentu, biasanya antara 25 ohms dan 70 ohms. Dalam papan sirkuit berbilang lapisan, kunci untuk prestasi garis penghantaran yang baik adalah untuk menjaga keterangan impedance konstan sepanjang garis.

Tetapi apakah keterangan-keterangan? Cara paling mudah untuk memahami pengendalian karakteristik adalah melihat apa yang isyarat bertemu semasa penghantaran. Apabila bergerak sepanjang garis trasmis dengan salib seksyen yang sama, ia sama dengan trasmis mikrogelombang yang dipaparkan dalam Figur 1. Anggap gelombang langkah tegangan 1 volt ditambah ke garis transmisi ini. Contohnya, bateri 1 volt disambung ke bahagian depan garis penghantaran (ia ditempatkan antara garis penghantaran dan gelung). Setelah disambung, isyarat gelombang tegangan berjalan sepanjang garis dengan kelajuan cahaya. Propagasi, kelajuannya biasanya sekitar 6 inci/nanosek. Sudah tentu, isyarat ini adalah perbezaan tegangan antara garis transmisi dan gelung, dan ia boleh diukur dari mana-mana titik garis transmisi dan titik sebelah gelung. Fig. 2 adalah diagram skematik bagi penghantaran isyarat tegangan.

Kaedah Zen adalah untuk pertama "menghasilkan isyarat" dan kemudian mengembangkannya sepanjang garis transmisi ini dengan kelajuan 6 inci per nanosekund. 0.01 nanosekund pertama maju 0.06 inci. Pada masa ini, garis penghantaran mempunyai muatan positif berlebihan, dan loop mempunyai muatan negatif berlebihan. Ia adalah perbezaan antara dua jenis muatan ini yang menyimpan perbezaan tegangan 1 volt antara dua konduktor. Dan dua konduktor ini membentuk kondensator.

Dalam 0.01 nanosekund berikutnya, untuk menyesuaikan ketegangan garis transmisi 0.06 inci dari 0 kepada 1 volt, perlu menambah beberapa muatan positif ke garis transmisi dan beberapa muatan negatif ke garis penerima. Untuk setiap 0.06 inci pergerakan, muatan lebih positif mesti ditambah ke garis penghantaran, dan muatan lebih negatif mesti ditambah ke loop. Setiap 0.01 nanosekund, seksyen lain dari garis transmisi mesti dimuatkan, dan kemudian isyarat mula menyebar sepanjang seksyen ini. Muat datang dari bateri di bahagian depan garis transmisi. Apabila bergerak sepanjang garis ini, ia mengisi bahagian terus menerus garis transmisi, membentuk perbezaan tegangan 1 volt antara garis transmisi dan loop. Setiap 0.01 nanosekund kemajuan, beberapa muatan (±Q) diperoleh dari bateri, dan kuasa konstan (±Q) mengalir keluar dari bateri dalam selang masa konstan (±t) adalah semasa konstan. Semasa negatif yang mengalir ke dalam loop sebenarnya sama dengan semasa positif yang mengalir keluar, dan ia hanya di ujung depan gelombang isyarat. Semasa AC melewati kondensator yang dibentuk oleh garis atas dan bawah untuk mengakhiri seluruh siklus.

Impedansi garis

Untuk bateri, apabila isyarat menyebar sepanjang garis pemindahan, segmen garis pemindahan 0.06 inci terus dimuatkan setiap 0.01 nanosekund. Apabila arus konstan diperoleh dari bekalan kuasa, garis transmisi kelihatan seperti impedance, dan nilai impedance adalah konstan, yang boleh dipanggil "impedance tumbuhan" garis transmisi.

Sama seperti, apabila isyarat menyebar sepanjang garis, sebelum langkah berikutnya, dalam 0.01 nanosesaat, yang mana arus boleh meningkatkan tegangan langkah ini kepada 1 volt? Ini melibatkan konsep impedance segera.

Dari perspektif bateri, jika isyarat menyebar sepanjang garis pemindahan dengan kelajuan yang stabil, dan garis pemindahan mempunyai saluran salib yang sama, jumlah muatan yang sama diperlukan untuk setiap langkah dalam 0.01 nanosekund untuk menghasilkan voltaj isyarat yang sama. Apabila berjalan sepanjang garis ini, ia akan menghasilkan impedance seketika yang sama, yang dianggap sebagai karakteristik garis transmisi dan dipanggil impedance karakteristik. Jika pengendalian karakteristik isyarat dalam setiap langkah proses penghantaran adalah sama, maka garis penghantaran boleh dianggap sebagai garis penghantaran pengendalian yang boleh dikawal.

Impedansi secara segera atau Impedansi karakteristik sangat penting untuk kualiti penghantaran isyarat. Semasa proses pemindahan, jika impedance langkah berikutnya sama dengan impedance langkah sebelumnya, kerja boleh teruskan dengan lancar, tetapi jika impedance berubah, beberapa masalah akan berlaku.

Untuk mencapai kualiti isyarat terbaik, tujuan desain sambungan dalaman adalah untuk menjaga impedance sebagai stabil semasa proses penghantaran isyarat. Pertama, pengendalian karakteristik garis penghantaran mesti tetap stabil. Oleh itu, produksi papan impedance yang boleh dikawal menjadi semakin penting. Selain itu, kaedah lain seperti panjang wayar tersisa yang paling pendek, penghapusan akhir dan penggunaan wayar keseluruhan juga digunakan untuk menjaga kestabilan impedance seketika dalam penghantaran isyarat.

Keukuran impedance karakteristik

Apabila bateri disambung ke garis transmisi (menganggap impedance adalah 50 ohms pada masa itu), sambungkan ohmmeter ke kabel optik RG58 panjang 3 kaki. Bagaimana untuk mengukur impedance yang tak terbatas pada masa ini? Penghalangan setiap garis penghantaran berkaitan dengan masa. Jika anda mengukur impedance kabel optik serat dalam masa yang lebih pendek daripada refleksi kabel optik serat, anda mengukur impedance "surge", atau impedance karakteristik. Tetapi jika anda menunggu cukup lama sehingga tenaga tersembunyi kembali dan diterima, impedance boleh ditemui untuk berubah selepas pengukuran. Secara umum, nilai impedance akan mencapai nilai had yang stabil selepas rebounding ke atas dan ke bawah.

Untuk kabel optik panjang 3 kaki, pengukuran impedance mesti selesai dalam 3 nanosekund. TDR (Reflektometer Domain Masa) boleh melakukan ini, ia boleh mengukur impedance dinamik garis transmisi. Jika and a mengukur kemudahan kabel optik serat 3 kaki dalam masa 1 saat, isyarat akan direfleksi balik dan balik jutaan kali, menghasilkan kemudahan "tumbuhan" yang berbeza.

Kalkulasi impedance karakteristik

Model impedance karakteristik sederhana: Z=V/I, Z mewakili impedance setiap langkah dalam proses penghantaran isyarat, V mewakili tegangan apabila isyarat memasuki garis penghantaran, dan I mewakili semasa. I=±Q/±t, Q mewakili elektrik, dan t mewakili masa setiap langkah.

Elektrik (dari bateri): ±Q=±C*V, C mewakili kapasitas, dan V mewakili voltas. Kapansansi boleh ditambah dari kapasitas garis trasmis per unit panjang CL dan kelajuan trasmis isyarat v. Nilai panjang pin unit dianggap sebagai kelajuan, dan kemudian darab dengan masa t yang diperlukan untuk setiap langkah, kemudian formula diterima: ±C=CL*v*(±)t.

Menggabungkan item-item di atas, kita boleh mendapatkan impedance karakteristik:

Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C*V/±t)=V/(CL*v*(±)t*V/±t)=1/(CL*v)

Ia boleh dilihat bahawa impedance karakteristik berkaitan dengan kapasitas panjang unit garis penghantaran dan kelajuan penghantaran isyarat. Untuk membezakan impedance karakteristik dari impedance Z sebenar, kita tambah 0 selepas Z. impedance karakteristik garis penghantaran adalah: Z0=1/(CL*v)

Jika kapasitas per unit panjang garis penghantaran dan kelajuan penghantaran isyarat tetap tidak berubah, pengendalian karakteristik garis penghantaran juga tetap tidak berubah. Penjelasan sederhana ini boleh menyambungkan rasa kesehatan kapasitas dengan teori impedance karakteristik yang baru ditemui. Jika kapasitas per unit panjang garis penghantaran meningkat, seperti peningkatan garis penghantaran, keterlaluan karakteristik garis penghantaran boleh dikurangi.