Teknik PCB - Analisis impedance karakteristik

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 paling membingungkan dan kurang intuitif. Walaupun banyak jurutera rancangan elektronik juga bingung tentang ini. Maklumat ini akan memberikan perkenalan singkat dan intuitif kepada impedance karakteristik, berharap untuk membantu and a memahami kualiti paling asas garis penghantaran.

Apa garis transmisi?

Apa garis penghantaran? Dua konduktor dengan panjang tertentu membentuk garis penghantaran. Salah satu konduktor menjadi saluran penyebaran isyarat, sementara konduktor lain membentuk laluan kembali isyarat (di sini kita menyebutkan laluan penyembahan isyarat, yang sebenarnya adalah tanah yang biasanya semua orang faham, tetapi untuk kesenangan gambaran, lupakan tanah untuk masa ini. Konsep.). Dalam reka papan sirkuit berbilang lapisan, Setiap garis sambungan PCB membentuk konduktor dalam garis transmisi, dan garis transmisi menggunakan pesawat rujukan bersebelahan sebagai laluan konduktor kedua atau isyarat kembali garis transmisi. Apa jenis garis sambungan PCB adalah garis penghantaran yang baik? Secara umum, jika impedance karakteristik konsisten di mana-mana pada garis sambungan PCB yang sama, garis transmisi seperti ini menjadi garis transmisi kualiti tinggi. Papan sirkuit apa yang dipanggil papan sirkuit impedance terkawal? Papan sirkuit pengendalian terkawal bermakna pengendalian karakteristik semua garis penghantaran pada PCB memenuhi spesifikasi sasaran yang bersatu. Ia biasanya bermakna bahawa pengendalian karakteristik semua garis penghantaran adalah antara 25Ω dan 70Ω.

Dari perspektif isyarat

Cara yang paling berkesan untuk mempertimbangkan impedance karakteristik adalah melihat apa yang isyarat sendiri melihat semasa ia menyebar sepanjang garis transmisi. Untuk mempermudahkan perbincangan masalah, ia dianggap bahawa garis penghantaran adalah jenis microstrip, dan seksyen salib garis penghantaran adalah konsisten apabila isyarat menyebar sepanjang garis penghantaran.

Tambah isyarat langkah dengan amplitud 1V ke garis penghantaran. isyarat langkah adalah bateri 1V, yang disambung oleh hujung depan dan disambung antara garis isyarat dan laluan kembali. Pada s a at bateri diaktifkan, bentuk gelombang tegangan isyarat akan berjalan dalam dielektrik pada kelajuan cahaya, biasanya dengan kelajuan sekitar 6 inci/n (mengapa isyarat berjalan begitu cepat, daripada dekat dengan kelajuan penyebaran elektron sekitar 1cm/s, ini adalah topik lain, Tiada perkenalan lagi di sini). Sudah tentu, isyarat di sini masih mempunyai definisi konvensional. Isyarat ditakrif sebagai perbezaan tekanan antara garis isyarat dan laluan kembali, yang sentiasa dicapai dengan mengukur perbezaan tekanan antara mana-mana titik pada garis transmisi dan laluan kembali isyarat bersebelahan.

Isyarat dihantar sepanjang garis penghantaran pada kelajuan 6 inci/ns. Situasi macam mana isyarat akan bertemu semasa transmisi? Dalam selang masa 10ps pertama, isyarat berjalan jarak 0.06 inci sepanjang garis penghantaran. Anggap masa kunci pada saat ini, pertimbangkan apa yang berlaku pada garis transmisi. Dalam jarak perjalanan ini, penghantaran isyarat menetapkan isyarat konstan yang stabil dengan amplitud 1V diantara seksyen ini garis penghantaran dan saluran kembali isyarat bersebelahan yang sepadan. Ini bermakna bahawa muatan positif tambahan dan muatan negatif tambahan telah dikumpulkan pada seksyen ini garis pemindahan dan laluan kembalian yang sepadan untuk menetapkan tenaga stabil ini. Ia adalah perbezaan daripada muatan ini yang menentukan dan mengekalkan isyarat tegangan 1 V stabil antara kedua-dua konduktor, dan isyarat tegangan stabil antara konduktor menentukan kapasitasi antara kedua-dua konduktor.

Segmen garis penghantaran di belakang garis gelombang isyarat pada garis penghantaran tidak jelas bahawa akan ada isyarat untuk disebarkan, jadi tekanan antara garis isyarat dan laluan penghantaran masih kekal pada sifar. Dalam selang masa 10ps berikutnya, isyarat akan mengembara jarak tertentu sepanjang garis penghantaran. Sebagai hasil isyarat terus menyebar, garis penghantaran 1V akan ditetapkan antara segmen garis penghantaran lain dengan panjang 0.06 inci dan laluan penghantaran isyarat yang sepadan. Tekanan isyarat. Untuk melakukan ini, jumlah tertentu muatan positif mesti disuntik ke dalam garis isyarat, dan jumlah yang sama muatan negatif mesti disuntik ke dalam laluan kembali isyarat. Untuk setiap 0.06 inci penyebaran isyarat sepanjang garis pemindahan, lebih banyak muatan positif akan disuntik ke dalam garis isyarat, dan lebih banyak muatan negatif akan disuntik ke dalam laluan pemindahan isyarat. Setiap selang masa 10ps, seksyen lain garis penghantaran akan dimuatkan kepada 1 V, dan isyarat akan terus menyebar sepanjang arah garis penghantaran.

Dari mana tuduhan ini berasal? Jawapannya berasal dari sumber isyarat, iaitu bateri yang kita gunakan untuk menyediakan isyarat langkah dan sambung ke ujung depan garis penghantaran. Semasa isyarat menyebar pada garis penghantaran, isyarat terus-menerus mengisi segmen garis penghantaran yang ia menyebar melalui, memastikan voltas 1 V ditetapkan dan dikekalkan diantara garis isyarat dan laluan kembali dimanapun isyarat dihantar. Setiap selang masa 10ps, isyarat akan mengembara jarak tertentu pada garis transmisi dan melukis jumlah tertentu muatan δQ dari sistem kuasa. Bateri menyediakan jumlah tertentu muatan δQ ke luar dalam jangka masa δt untuk membentuk semasa isyarat konstan. Semasa positif mengalir dari bateri ke garis isyarat, dan pada masa yang sama, semasa negatif ukuran yang sama mengalir melalui laluan semula isyarat.

Semasa negatif yang mengalir melalui laluan semula isyarat sama dengan semasa positif yang mengalir ke dalam garis isyarat. Lagipun, pada kedudukan depan gelombang isyarat, arus AC mengalir melalui kondensator yang terbentuk oleh garis isyarat dan laluan kembali isyarat, menyempurnakan gelombang isyarat.

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.

Adapun 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 disebar sepanjang garis penghantaran, isyarat sendiri telah memeriksa berapa banyak arus yang diperlukan untuk mengisi panjang garis penghantaran yang menyebar dalam jangkauan masa 10ps, dan menyimpan 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 paling penting dalam desain

Impedansi seketika atau Impedansi karakteristik garis penghantaran adalah faktor yang paling 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. Jika terdapat perbezaan antara selang penyebaran isyarat bersebelahan, atau perubahan impedance, sebahagian tenaga dalam isyarat akan direfleksikan kembali, dan kontinuiti penghantaran isyarat juga akan dihancurkan.

Untuk memastikan kualiti isyarat terbaik, tujuan rancangan sambungan isyarat adalah memastikan impedance yang dilihat oleh isyarat semasa penghantaran 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 = CL U δt

Menggabungkan semua persamaan di atas, kita boleh mengambilnya sebagai:

Z=V/I=V/(δQ/δt)=V/(V δC/δt)=V/(V CL U δt /δt)=1/(CL U)

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/(CL U)

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.