Teknik PCB - Kehilangan apa yang akan berlaku dalam garis penghantaran papan sirkuit

Garis penghantaran PCB mengandungi sekurang-kurangnya dua wayar-satu untuk isyarat dan yang lain untuk laluan kembali. Rangkaian papan sirkuit kompleks adalah kombinasi struktur garis transmisi yang lebih mudah ini. Dari perspektif rancangan PCB, pemahaman struktur-struktur ini (microstrip, stripline, dan coplanar) adalah berguna bagi penjana dan penghasil.

Apa kehilangan garis transmisi?

Struktur garis transmisi mempunyai mekanisme kehilangan yang berbeza. Jumlah kehilangan garis penghantaran PCB dipanggil kehilangan penyisihan (αt). Ia adalah jumlah kehilangan konduktor (αc), kehilangan dielektrik (αd), kehilangan radiasi (αr) dan kehilangan kebocoran (αl).

αt = αc + αd + αr + αl

Kesan kebocoran tidak dapat dilihat kerana PCB mempunyai tahan volum yang sangat tinggi. Kehilangan radiasi adalah tenaga yang hilang dari sirkuit kerana radiasi frekuensi radio. Kehilangan ini bergantung pada frekuensi, konstan dielektrik (Dk) dan tebal. Untuk garis transmisi tertentu, kehilangan akan jauh lebih tinggi pada frekuensi yang lebih tinggi. Untuk sirkuit yang sama, apabila substrat yang lebih tipis dan nilai Dk yang lebih tinggi digunakan, kerugian radiasi akan lebih kecil.

Dalam artikel ini, kita hanya akan membincangkan kehilangan garis transmisi yang berkaitan dengan kehilangan konduktor (αc) disebabkan oleh perlawanan jejak isyarat dan kehilangan dielektrik (αd) disebabkan oleh dielektrik PCB, yang terakhir dengan faktor kehilangan tangen/penyebaran untuk diukur.

αt = αc + αd

Mekanisme pengendalian dan kehilangan karakteristik

Dalam siri garis penghantaran PCB sebelumnya, kami memberikan and a impedance karakteristik garis penghantaran (ia adalah impedance yang dilihat oleh isyarat dan tidak ada hubungannya dengan frekuensi):

R = perlawanan konduktor garis per unit panjang (pul)

L = induktan pul loop konduktor garis

G = konduktansi diantara laluan isyarat dan laluan kembali (disebabkan dielektrik) pul

C = tarik kapasitasi antara laluan isyarat dan laluan kembali (ia meningkat dengan Dk dielektrik)

Untuk garis penghantaran seragam, R, L, G, dan C adalah sama pada setiap titik, jadi Zc mempunyai nilai yang sama pada setiap titik di garis penghantaran.

Untuk isyarat sinusoidal dengan frekuensi f (Ϭ = 2Ϭf) mendarab sepanjang garis, tekanan dan ungkapan semasa pada titik dan masa berbeza diberikan oleh:

Dimana α dan β adalah bahagian sebenar dan imajinatif dari kehilangan garis penghantaran PCB, diberikan dengan formula berikut:

Pada frekuensi yang kita tertarik, R << Ï·L dan G << Ï·C, oleh itu:

Dan: kehilangan garis penghantaran PCB kepada:

Ini bermakna gelombang menggerakkan kehilangan garis penghantaran PCB dengan lambat penyebaran per unit panjang, dan mengurangkan semasa ia menggerakkan sepanjang garis.

Koeficien penyesalan isyarat bagi garis penghantaran panjang l ialah:

Faktor kelemahan atau kehilangan isyarat biasanya diungkap dalam dB.

Oleh itu, kehilangan dB adalah proporsional dengan panjang garis. Oleh itu, kita boleh ungkapan di atas sebagai kehilangan dB per unit panjang:

Kita biasanya melewatkan tanda tolak dan ingat bahawa ia adalah kehilangan dB-sentiasa tolak dari kekuatan isyarat dalam dB.

Yang di atas juga dipanggil keseluruhan kerugian penyisipan per unit panjang garis penghantaran, ditulis sebagai:

Sekarang, komponen kehilangan R/Z0 adalah proporsional dengan R (resistensi per unit panjang), yang dipanggil kehilangan konduktor dan disebabkan oleh resistensi konduktor yang membentuk garis transmisi. Ia diwakili oleh 'alfa' C. Kehilangan bahagian GZ0 adalah proporsional dengan G-konduktansi bahan dielektrik, dipanggil kehilangan dielektrik yang ditandakan oleh "alfa" d.

Di mana R adalah perlawanan konduktor per inci.

Sekarang, ada dua konduktor dalam garis penghantaran PCB-jejak isyarat dan laluan kembali.

Biasanya, laluan kembalinya adalah permukaan rata, bagaimanapun, arus kembalinya tidak disebarkan secara bersamaan di permukaan rata-kita boleh membuktikan bahawa kebanyakan arus berkoncentrasi pada garis yang tiga kali lebar jejak isyarat, tepat di bawah jejak isyarat.

Tandakan isyarat perlawanan dalam garis penghantaran PCB

Adakah seluruh kawasan melintas jejak isyarat berpartisipasi dalam isyarat semasa sama? Jawapan adalah: tidak sentiasa kes-ia bergantung pada frekuensi isyarat.

Pada frekuensi yang sangat rendah hingga sekitar 1MHz, kita boleh menganggap seluruh konduktor berpartisipasi dalam arus isyarat, jadi Rsig adalah sama dengan resistensi "alfa" C jejak isyarat, iaitu:

Ï™ = Resistensi tembaga dalam ohms-inci Kehilangan garis penghantaran PCB

W = lebar jejak dalam inci (contohnya: 5 mils, atau 0.005" jejak 50 ohms)

T = tebal jejak dalam inci (biasanya ½oz hingga 10oz, iaitu, 0.0007" hingga 0.0014")

Contohnya, untuk jejak lebar 5 juta:

Untuk tujuan kita, kita tertarik pada resistensi AC pada frekuensi f. Di sini, kesan kulit masuk gambar. Menurut kesan kulit, semasa dengan frekuensi f hanya menyebar ke kedalaman tertentu, yang dipanggil kedalaman kulit konduktor

Kita boleh lihat dari atas bahawa pada 4MHz, kedalaman kulit sama dengan 1oz tebing tembaga, dan pada 15MHz, ia sama dengan ½oz tebing tembaga. Di atas 15MHz, kedalaman semasa isyarat hanya kurang dari 0.7 mils, dan ia terus menurun semasa frekuensi meningkat.

Oleh kerana kita fokus pada perilaku frekuensi tinggi di sini, kita boleh menganggap dengan selamat T lebih besar daripada kedalaman kulit pada frekuensi kepentingan, jadi kita akan menggunakan kedalaman kulit selain T dalam formula resistensi isyarat. Jadi sekarang kita ada:

Kita gunakan 2δ daripada δ, kerana semasa menggunakan semua periferi konduktor-secara teknikal, 2W boleh diganti dengan 2(W+T).

Isyarat kembalinya hanya bertambah dengan tebal δ sepanjang permukaan yang paling dekat dengan jejak isyarat, dan resistensinya boleh diharapkan sebagai:

Kehilangan konduktor meningkat disebabkan kelabuan permukaan tembaga pada antaramuka konduktor-dielektrik

Penting untuk tahu bahawa dalam papan sirkuit, "antaramuka konduktor-dielektrik tembaga" tidak pernah licin (jika ia licin, konduktor tembaga mudah dipotong dari permukaan dielektrik); Ia diganggu menjadi struktur seperti gigi untuk meningkatkan sirkuit kekuatan kulit konduktor di papan.