Công nghệ PCB - Điều gì xảy ra với đường truyền bảng mạch

Một đường truyền PCB chứa ít nhất hai dây, một cho tín hiệu và một cho đường dẫn trở lại. Mạng lưới bảng mạch phức tạp là sự kết hợp của cấu trúc đường truyền đơn giản hơn này. Hiểu được các cấu trúc này (microbands, ribbon và common) có thể có lợi cho cả nhà thiết kế và nhà sản xuất từ quan điểm thiết kế PCB.

Mất mát của đường dây truyền tải là gì?

Cấu trúc đường dây truyền tải có cơ chế tổn thất khác nhau. Tổng tổn thất của đường truyền PCB được gọi là tổn thất chèn (Isla ± t). Đó là tổng tổn thất dây dẫn (Isla ± c), tổn thất điện môi (Island ± d), tổn thất bức xạ (Island ± r) và tổn thất rò rỉ (Islands ± l).

Đảo t=đảo c+đảo d+đảo r+đảo l

Tác động của rò rỉ là không đáng kể vì PCB có sức đề kháng thể tích rất cao. Mất bức xạ là năng lượng bị mất từ mạch do bức xạ tần số vô tuyến. Sự mất mát này phụ thuộc vào tần số, hằng số điện môi (Dk) và độ dày. Đối với một đường truyền cụ thể, tổn thất sẽ cao hơn nhiều ở tần số cao hơn. Đối với cùng một mạch, tổn thất bức xạ sẽ nhỏ hơn khi sử dụng chất nền mỏng hơn và giá trị Dk cao hơn.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chỉ thảo luận về sự mất mát của đường truyền liên quan đến mất dây dẫn (Isla ± c) do điện trở dấu vết tín hiệu và mất điện môi (Island ± d) do điện môi PCB, được đo cùng với các yếu tố tiếp tuyến/tiêu tán góc mất mát.

Đảo t=đảo c+đảo d

Trở kháng đặc trưng và cơ chế mất mát

Trong loạt đường truyền PCB trước đây của chúng tôi, chúng tôi đã cung cấp cho bạn trở kháng đặc trưng của đường truyền (đó là trở kháng như tín hiệu nhìn thấy, không liên quan đến tần số):

R=điện trở dây trên một đơn vị chiều dài (pul)

L=điện cảm pul của vòng dây dẫn

G=độ dẫn (do điện môi) pul giữa đường tín hiệu và đường trở lại

C=Điện dung pul giữa đường tín hiệu và đường trở lại (nó tăng với Dk của điện môi)

Đối với một đường truyền thống nhất, R, L, G và C giống nhau ở mọi điểm, do đó Zc có cùng giá trị ở mọi điểm trên đường truyền.

Đối với tín hiệu sin truyền dọc theo đường với tần số f (Í=2;f), các biểu thức điện áp và dòng điện tại các điểm và thời gian khác nhau được đưa ra bởi công thức sau:

Trong đó Isla ± và Isla² là phần thực và ảo của tổn thất đường truyền PCB, được đưa ra bởi công thức sau:

Ở tần số mà chúng ta quan tâm, R

Và: Mất đường truyền PCB:

Điều này có nghĩa là sóng truyền sự mất mát của đường truyền PCB với độ trễ truyền trên mỗi đơn vị chiều dài và suy giảm khi truyền dọc theo đường.

Hệ số suy giảm tín hiệu của đường truyền với chiều dài l là:

Yếu tố suy giảm hoặc mất tín hiệu thường được biểu thị bằng dB.

Do đó, mất dB tỷ lệ thuận với chiều dài đường dây. Vì vậy, chúng ta có thể biểu diễn ở trên dưới dạng mất dB trên một đơn vị chiều dài:

Chúng ta thường bỏ qua dấu trừ và nhớ rằng đó là một mất mát dB, luôn được trừ từ cường độ tín hiệu trong dB.

Ở trên còn được gọi là tổng chèn mất trên mỗi đơn vị chiều dài của đường truyền, viết:

Bây giờ, thành phần R/Z0 của tổn thất tỷ lệ thuận với R (điện trở trên một đơn vị chiều dài), được gọi là tổn thất dây dẫn, gây ra bởi điện trở của dây dẫn tạo thành đường truyền. Nó được biểu thị bằng "alfa" C. Tổn thất của phần GZ0 tỷ lệ thuận với độ dẫn của vật liệu điện môi G, được gọi là tổn thất điện môi và được biểu thị bằng "alfa" d.

Trong đó R là điện trở trên mỗi inch của dây dẫn.

Bây giờ có hai dây dẫn trong đường truyền PCB - dấu vết tín hiệu và đường dẫn trở lại.

Thông thường, đường dẫn trở lại là một bề mặt phẳng, tuy nhiên, dòng điện trở lại không được phân phối đều trên bề mặt phẳng. Chúng tôi có thể chứng minh rằng hầu hết các dòng điện tập trung vào một dải rộng gấp ba lần dấu vết tín hiệu, ngay bên dưới nó.

Kháng dấu vết tín hiệu trong đường truyền PCB

Toàn bộ diện tích mặt cắt ngang của dấu vết tín hiệu có tham gia bình đẳng vào dòng tín hiệu không? Câu trả lời là: Điều này không phải lúc nào cũng phụ thuộc vào tần số của tín hiệu.

Ở tần số cực thấp lên tới khoảng 1 MHz, chúng ta có thể giả định rằng toàn bộ dây dẫn tham gia vào dòng tín hiệu, do đó Rsig giống như điện trở "α" C của dấu vết tín hiệu, cụ thể là:

Í=điện trở suất đồng (Ohm-inch) Mất đường truyền PCB

W=chiều rộng dấu vết trong inch (ví dụ: 5 mils, hoặc 0,005 "dấu vết 50 ohms)

T=Độ dày dấu vết trong inch (thường là ½ oz đến 10 oz, tức là 0,0007 inch đến 0,0014 inch)

Ví dụ, đối với dấu vết rộng 5 mils:

Đối với mục đích của chúng tôi, chúng tôi quan tâm đến điện trở AC ở tần số f. Ở đây hiệu ứng da đi vào bức tranh. Theo hiệu ứng da, dòng điện với tần số f chỉ khuếch tán đến một độ sâu nhất định, được gọi là độ sâu da của dây dẫn

Từ những gì chúng ta có thể thấy ở trên, ở 4MHz, độ sâu hóa học bằng độ dày đồng 1oz và ở 15MHz, độ sâu hóa học bằng độ dày đồng ½oz. Trên 15 MHz, độ sâu của dòng tín hiệu chỉ dưới 0,7 mils và tiếp tục giảm khi tần số tăng lên.

Vì chúng ta đang tập trung vào hành vi tần số cao ở đây, chúng ta có thể yên tâm giả định rằng T lớn hơn độ sâu da ở tần số quan tâm, vì vậy chúng ta sẽ sử dụng độ sâu da thay vì T trong công thức điện trở tín hiệu. Vì vậy, bây giờ chúng ta có:

Chúng tôi sử dụng 2 hòn đảo thay vì đảo, bởi vì về mặt kỹ thuật, dòng điện sử dụng tất cả các ngoại vi của dây dẫn và 2W có thể được thay thế bằng 2 (W+T).

Tín hiệu trở lại chỉ lan truyền ở độ dày Isla`dọc theo bề mặt gần nhất với dấu vết tín hiệu, và điện trở của nó có thể xấp xỉ như sau:

Độ nhám bề mặt đồng tại giao diện dây dẫn điện môi dẫn đến mất dây dẫn tăng

Điều quan trọng cần biết là trong bảng, "giao diện dây dẫn đồng-điện môi" không bao giờ trơn tru (nếu trơn, dây dẫn đồng có thể dễ dàng bị tước khỏi bề mặt điện môi); Nó được thô ráp thành một cấu trúc răng để tăng sức mạnh lột của dây dẫn trên bảng.