Công nghệ PCB - Vấn đề trở kháng đặc trưng của công nghệ PCB trong thiết kế tốc độ cao

Trong thiết kế tốc độ cao, trở kháng đặc trưng của các tấm và đường trở kháng có thể kiểm soát là một trong những vấn đề quan trọng và phổ biến nhất. Trước tiên, hãy hiểu định nghĩa của đường truyền: đường truyền bao gồm hai dây dẫn có độ dài nhất định, một để gửi tín hiệu và một để nhận tín hiệu (hãy nhớ khái niệm "vòng lặp" thay vì "mặt đất"). Trong bảng nhiều lớp, mỗi đường là một phần không thể thiếu của đường truyền và mặt phẳng tham chiếu liền kề có thể được sử dụng làm đường thứ hai hoặc vòng lặp. Chìa khóa để một đường dây trở thành đường dây truyền tải "hiệu suất cao" là giữ cho trở kháng đặc trưng của nó không đổi trong suốt đường dây.

Chìa khóa để trở thành "bảng trở kháng có thể kiểm soát" là làm cho trở kháng đặc trưng của tất cả các mạch phù hợp với các giá trị quy định, thường là từ 25 đến 70 ohms. Trong bảng mạch nhiều lớp, chìa khóa để truyền năng lượng tuyến tính tốt là giữ cho trở kháng đặc trưng của nó không đổi trong suốt dòng.

Nhưng trở kháng đặc tính là gì? Cách dễ nhất để hiểu trở kháng đặc trưng là quan sát những gì tín hiệu gặp phải trong quá trình truyền. Khi di chuyển dọc theo một đường truyền có cùng mặt cắt ngang, điều này tương tự như truyền vi sóng được hiển thị trong Hình 1. Giả sử một bước sóng điện áp 1 volt được thêm vào đường truyền này. Ví dụ, một pin 1 volt được kết nối với mặt trước của đường truyền (nằm giữa đường truyền và vòng lặp). Sau khi kết nối, tín hiệu sóng điện áp di chuyển dọc theo đường với tốc độ ánh sáng. Khi lan truyền, tốc độ của nó thường là khoảng 6 inch/nano giây. Tất nhiên, tín hiệu này thực sự là sự khác biệt về điện áp giữa đường truyền và vòng lặp, và nó có thể được đo từ bất kỳ điểm nào của đường truyền và các điểm lân cận của vòng lặp. Hình 2 là sơ đồ truyền tín hiệu điện áp.

Phương pháp của Zen là "tạo ra một tín hiệu" đầu tiên và sau đó đi dọc theo đường truyền này với tốc độ 6 inch mỗi nano giây. 0,01 nano giây đầu tiên tiến lên 0,06 inch. Tại thời điểm này, đường truyền có điện tích dương dư thừa và vòng lặp có điện tích âm dư thừa. Đó là sự khác biệt giữa hai điện tích duy trì chênh lệch điện áp 1 volt giữa hai dây dẫn. Hai dây dẫn này tạo thành một tụ điện.

Trong 0,01 nano giây tiếp theo, để điều chỉnh điện áp của đường truyền 0,06 inch từ 0 đến 1 volt, cần thêm một số điện tích dương vào đường truyền và một số điện tích âm vào đường nhận. Với mỗi 0,06 inch di chuyển, bạn phải thêm nhiều điện tích dương vào đường truyền và nhiều điện tích âm hơn vào vòng lặp. Cứ sau 0,01 nano giây, một phần khác của đường truyền phải được sạc lại và tín hiệu sau đó bắt đầu lan truyền dọc theo phần đó. Điện tích đến từ pin ở đầu phía trước của đường truyền. Khi di chuyển dọc theo đường dây này, nó sạc các phần liên tục của đường truyền, tạo ra sự khác biệt điện áp 1 volt giữa đường truyền và vòng lặp. Mỗi bước tiến 0,01 nano giây, một số điện tích (± Q) thu được từ pin và lượng điện không đổi (± Q) chảy ra từ pin trong khoảng thời gian không đổi (± t) là dòng điện không đổi. Dòng điện âm chảy vào vòng lặp thực sự giống như dòng điện dương chảy ra và nó chỉ ở đầu cuối của sóng tín hiệu. Dòng điện AC đi qua tụ điện được hình thành bởi các đường trên và dưới để kết thúc toàn bộ chu kỳ.

Trở kháng dòng

Đối với pin, phân đoạn đường truyền 0,06 inch liên tục được sạc mỗi 0,01 nano giây khi tín hiệu đi dọc theo đường truyền. Khi dòng điện liên tục thu được từ nguồn điện, đường truyền trông giống như một thiết bị trở kháng có giá trị trở kháng không đổi và có thể được gọi là "trở kháng tăng" của đường truyền.

Tương tự như vậy, khi tín hiệu đi dọc theo đường, dòng điện nào có thể tăng điện áp ở bước này lên 1 volt trong 0,01 nano giây trước bước tiếp theo? Điều này liên quan đến khái niệm trở kháng tức thời.

Từ quan điểm của pin, nếu tín hiệu di chuyển dọc theo đường truyền với tốc độ ổn định và đường truyền có cùng mặt cắt ngang, mỗi bước cần cùng một lượng điện tích để tạo ra điện áp tín hiệu giống nhau trong 0,01 nano giây. Khi đi dọc theo đường này, nó tạo ra cùng một trở kháng tức thời, được coi là một tính chất của đường truyền, được gọi là trở kháng đặc trưng. Nếu trở kháng đặc trưng của tín hiệu là như nhau ở mỗi bước của quá trình truyền, đường truyền có thể được coi là đường truyền trở kháng có thể kiểm soát.

Trở kháng tức thời hoặc trở kháng đặc trưng rất quan trọng đối với chất lượng truyền tín hiệu. Trong quá trình chuyển giao, công việc có thể diễn ra suôn sẻ nếu trở kháng của bước tiếp theo bằng với bước trước, nhưng nếu trở kháng thay đổi, một số vấn đề sẽ xảy ra.

Để đạt được chất lượng tín hiệu tốt nhất, kết nối nội bộ được thiết kế với mục tiêu duy trì trở kháng ổn định nhất có thể trong quá trình truyền tín hiệu. Đầu tiên, trở kháng đặc trưng của đường truyền phải được duy trì ổn định. Do đó, việc sản xuất các tấm trở kháng có thể kiểm soát ngày càng trở nên quan trọng. Ngoài ra, các phương pháp khác như chiều dài dây còn lại ngắn nhất, loại bỏ đầu và sử dụng toàn bộ dây được sử dụng để duy trì sự ổn định của trở kháng tức thời trong truyền tín hiệu.

Tính toán trở kháng đặc trưng

Mô hình trở kháng đặc trưng đơn giản: Z=V/I, Z đại diện cho trở kháng ở mỗi bước trong quá trình truyền tín hiệu, V đại diện cho điện áp khi tín hiệu đi vào đường truyền và I đại diện cho dòng điện. I=± Q/± t, Q đại diện cho dòng điện và t đại diện cho thời gian của mỗi bước.

Điện (từ pin): ± Q=± C * V, C cho điện dung, V cho điện áp. Điện dung có thể được suy ra từ điện dung CL trên một đơn vị chiều dài của đường truyền và tốc độ truyền tín hiệu v. Xem giá trị chiều dài của chân đơn vị là tốc độ và sau đó nhân với thời gian t cần thiết cho mỗi bước để có được công thức: ± C=CL * v * (±) t. Kết hợp với các mục trên, chúng ta có thể nhận được trở kháng đặc trưng: Z=v/I=v/(± Q/± t)=v/T

Có thể thấy rằng trở kháng đặc trưng có liên quan đến công suất chiều dài đơn vị của đường truyền và tốc độ truyền tín hiệu. Để phân biệt giữa trở kháng đặc trưng và trở kháng thực tế Z, chúng tôi thêm 0 sau Z. Trở kháng đặc trưng của đường truyền là: Z0=1/(CL * v).

Nếu công suất đơn vị chiều dài và tốc độ truyền tín hiệu của đường truyền không thay đổi, trở kháng đặc trưng của đường truyền cũng không thay đổi. Lời giải thích đơn giản này có thể liên kết ý thức chung về điện dung với lý thuyết trở kháng đặc trưng mới được phát hiện. Nếu bạn tăng công suất trên một đơn vị chiều dài của đường truyền, chẳng hạn như làm dày đường truyền, bạn có thể giảm trở kháng đặc trưng của đường truyền.

Đo trở kháng đặc trưng

Khi pin được kết nối với đường truyền (giả sử trở kháng tại thời điểm đó là 50 ohm), hãy kết nối đồng hồ ohm với cáp quang RG58 dài 3 feet. Làm thế nào để đo trở kháng vô hạn tại thời điểm này? Trở kháng của bất kỳ đường truyền nào cũng liên quan đến thời gian. Nếu bạn đo trở kháng của cáp quang trong thời gian ngắn hơn so với phản xạ của cáp quang, thì bạn đang đo trở kháng "tăng" hoặc trở kháng đặc trưng. Nhưng nếu bạn chờ đợi đủ lâu cho đến khi năng lượng được phản xạ trở lại và nhận được, trở kháng có thể thay đổi sau khi đo. Nói chung, giá trị trở kháng đạt đến giới hạn ổn định sau khi bật lên và xuống.

Đối với cáp quang dài 3 feet, phép đo trở kháng phải được thực hiện trong vòng 3 nano giây. TDR (Time Domain Reflection Meter) có thể làm điều này bằng cách đo trở kháng động của đường truyền. Nếu trở kháng của cáp quang 3 feet được đo trong 1 giây, tín hiệu sẽ được phản xạ qua lại hàng triệu lần, tạo ra trở kháng "tăng" khác nhau.