Tin tức về PCB - Kiểm soát trở kháng đơn đầu 50 Ohm trên bảng mạch PCB

Kiểm soát trở kháng đơn đầu 50 Ohm trên bảng mạch PCB

Khi thiết kế bản vẽ bảng mạch PCB, nhiều kỹ sư sẽ có vấn đề này cho những người mới tiếp xúc với trở kháng PCB. Tại sao các thiết bị đầu cuối đơn phổ biến trong bảng mạch được điều khiển theo mặc định bởi 50 ohms thay vì 40 hoặc 60 ohms? Đây là một vấn đề nhìn như đơn giản nhưng không dễ trả lời. Trước khi viết bài này, chúng tôi cũng đã tham khảo rất nhiều thông tin về trở kháng bảng. Nổi tiếng nhất là câu trả lời của Tiến sĩ Howard Johnson cho câu hỏi này. Tôi chắc rằng nhiều người đã đọc nó.

Sao khó trả lời thế? Câu hỏi về tính toàn vẹn tín hiệu tự nó là một câu hỏi đánh đổi, vì vậy câu nói nổi tiếng nhất trong ngành là: "Nó phụ thuộc vào..." là một câu hỏi không có câu trả lời chuẩn.

1.50 Ohm PCB có nguồn gốc lịch sử nhất định. Điều này phải bắt đầu với cáp tiêu chuẩn. Chúng ta đều biết rằng một phần lớn công nghệ điện tử hiện đại đến từ quân đội và dần dần quân đội chuyển sang dân sự. Trong giai đoạn đầu của ứng dụng vi sóng, trong Thế chiến II, việc lựa chọn trở kháng hoàn toàn phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng. Khi công nghệ tiến bộ, các tiêu chí trở kháng cần được đưa ra để cân bằng giữa nền kinh tế và sự tiện lợi. Ở Hoa Kỳ, ống thông được sử dụng phổ biến nhất được kết nối bằng các thanh và ống nước hiện có. 51,5 ohms là rất phổ biến, nhưng bộ chuyển đổi/bộ chuyển đổi được sử dụng là 50 ohms đến 51,5 ohms; Đây là giải pháp chung cho Lục quân và Hải quân. Để đối phó với những vấn đề này, một tổ chức được gọi là JAN, sau này được MIL phát triển đặc biệt, đã được thành lập. Sau khi xem xét toàn diện, 50 ohms cuối cùng đã được chọn và các ống thông đặc biệt đã được sản xuất và chuyển đổi chúng thành các loại cáp khác nhau. Tiêu chuẩn Vào thời điểm đó, tiêu chuẩn châu Âu là 60 ohms. Ngay sau đó, dưới ảnh hưởng của các công ty thống trị các ngành công nghiệp như HP, người châu Âu cũng buộc phải thay đổi, vì vậy 50 ohm cuối cùng đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp. Điều này đã trở thành một quy ước và PCB được kết nối với các loại cáp khác nhau cuối cùng cần phải đáp ứng tiêu chuẩn trở kháng 50 ohm cho phù hợp trở kháng.

2. Từ quan điểm rằng sản xuất bảng mạch có thể đạt được, 50 ohms là thuận tiện hơn để đạt được. Như bạn có thể thấy từ công thức tính toán trở kháng trước đó, trở kháng bảng mạch PCB quá thấp đòi hỏi chiều rộng đường dây rộng hơn và điện môi mỏng hơn (hoặc hằng số điện môi lớn hơn), khó đáp ứng hơn về mặt không gian của bảng mật độ cao hiện tại; Trở kháng quá cao Nó cũng đòi hỏi chiều rộng đường mỏng hơn và điện môi dày hơn (hoặc hằng số điện môi nhỏ hơn), không có lợi cho việc ức chế EMI và nhiễu xuyên âm. Đồng thời, từ quan điểm sản xuất hàng loạt, độ tin cậy xử lý của tấm nhiều lớp sẽ tương đối kém; Và trong môi trường của vật liệu thông thường, chiều rộng dây thông thường 50 ohms và độ dày điện môi (4mil-6mil) đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Nó cũng dễ dàng để xử lý và không có gì ngạc nhiên khi nó dần trở thành lựa chọn mặc định.

3. Từ quan điểm mất mát, theo vật lý cơ bản, có thể chứng minh rằng sự mất mát hiệu ứng da của trở kháng 50 ohm là tối thiểu. Thông thường, tổn thất hiệu ứng da L (tính bằng decibel) của cáp tỷ lệ thuận với tổng điện trở hiệu ứng da R (tính bằng chiều dài đơn vị) chia cho trở kháng đặc trưng Z0. Tổng điện trở hiệu ứng da R là tổng điện trở của lớp che chắn và dây dẫn trung gian. Điện trở hiệu ứng da của lớp che chắn tỷ lệ nghịch với đường kính d2 của nó ở tần số cao. Điện trở hiệu ứng da của dây dẫn bên trong của cáp đồng trục tỷ lệ nghịch với đường kính d1 của nó ở tần số cao. Do đó, tổng điện trở chuỗi R tỷ lệ thuận với (1/d2+1/d1). Kết hợp các yếu tố này, với d2 của vật liệu cô lập và hằng số điện môi tương ứng Er, công thức sau đây có thể được sử dụng để giảm thiểu tổn thất hiệu ứng da.

Thuật ngữ hằng số (/60) * (1/d2) và thuật ngữ hợp lệ ((1+d2/d1)/ln (d2d1)) được tách ra từ công thức 3 để xác định điểm nhỏ nhất. Nhìn kỹ hơn, điểm tối thiểu của công thức 3 chỉ được kiểm soát bởi d2/d1 và không liên quan đến Er và giá trị cố định d2. Lấy d2/d1 làm đối số, vẽ đường cong của L. Khi d2/d1=3,5911, bạn nhận được giá trị nhỏ nhất. Trở kháng đặc trưng là 51,1 ohm, giả sử hằng số điện môi của polyethylene rắn là 2,25 và d2/d1=3,5911. Một thời gian dài trước đây, các kỹ sư vô tuyến đã ước tính giá trị này gần 50 ohms để thuận tiện cho cáp đồng trục. Điều này chứng minh rằng ở khoảng 50 ohm, L là nhỏ nhất.

Cuối cùng, từ quan điểm về hiệu suất điện, lợi thế 50 ohm cũng là một sự thỏa hiệp sau khi xem xét toàn diện. Hoàn toàn từ hiệu suất của dấu vết PCB, trở kháng thấp là tốt hơn. Đối với một đường truyền có chiều rộng đường nhất định, càng gần mặt phẳng, EMI tương ứng sẽ giảm, nhiễu xuyên âm giảm và không dễ bị ảnh hưởng bởi tải điện dung. Ảnh hưởng Tuy nhiên, từ góc độ con đường đầy đủ, một trong những yếu tố quan trọng nhất cần được xem xét, đó là khả năng điều khiển của chip. Trong những ngày đầu, hầu hết các chip không thể điều khiển đường truyền có trở kháng bảng mạch PCB dưới 50 ohm, cho phép đường truyền có trở kháng cao hơn. Điều này không thuận tiện, vì vậy hãy sử dụng trở kháng 50 ohm như một thỏa hiệp.

Tóm lại: 50 ohm là mặc định trong ngành có những lợi thế vốn có của nó và cũng là một thỏa hiệp sau khi xem xét toàn diện, nhưng không có nghĩa là bạn phải sử dụng bảng mạch PCB 50 ohm. Trong nhiều trường hợp, nó phụ thuộc vào trận đấu. Giao diện, chẳng hạn như 75 ohms, vẫn là tiêu chuẩn cho viễn thông đường dài. Một số cáp và ăng-ten sử dụng 75 ohms. Tại thời điểm này, cần có trở kháng dòng PCB phù hợp. Ngoài ra, có một số chip đặc biệt làm giảm trở kháng của đường truyền bằng cách cải thiện khả năng điều khiển của chip, do đó ức chế tốt hơn EMI và Crosstalk. Ví dụ, hầu hết các chip Intel yêu cầu trở kháng ở 37 ohms, 42 ohms hoặc thậm chí thấp hơn. Tôi không nhắc lại ở đây.