Công nghệ PCB - Phân tích đặc tính trở kháng

Trong những năm gần đây, một vấn đề ngày càng quan trọng trong lĩnh vực thiết kế tốc độ cao là thiết kế trở kháng đặc trưng cho các bảng mạch với trở kháng có thể kiểm soát và các dây kết nối trên bảng. Tuy nhiên, đây cũng là câu hỏi khó hiểu và ít trực quan nhất đối với các kỹ sư thiết kế phi điện tử. Ngay cả nhiều kỹ sư thiết kế điện tử cũng bối rối về điều này. Thông tin này sẽ cung cấp một cái nhìn ngắn gọn và trực quan về trở kháng đặc trưng, hy vọng sẽ giúp bạn hiểu được chất lượng cơ bản nhất của đường truyền.

Transmission line là gì?

Transmission line là gì? Hai dây có chiều dài nhất định tạo thành một đường truyền. Một trong những dây dẫn này trở thành kênh truyền tín hiệu, trong khi dây dẫn kia tạo thành đường trở lại tín hiệu (ở đây chúng tôi đề cập đến đường trở lại tín hiệu, nó thực sự là mặt đất mà mọi người thường hiểu, nhưng tạm thời quên mặt đất để dễ dàng mô tả. Khái niệm này). Trong thiết kế bảng mạch nhiều lớp, mỗi đường kết nối PCB tạo thành dây dẫn trong đường truyền, sử dụng mặt phẳng tham chiếu liền kề làm dây dẫn thứ hai hoặc đường dẫn trở lại tín hiệu của đường truyền. Loại cáp kết nối PCB nào là đường truyền tốt? Nói chung, nếu trở kháng đặc trưng phù hợp ở bất cứ đâu trên cùng một đường kết nối PCB, thì đường truyền như vậy sẽ trở thành đường truyền chất lượng cao. Loại bảng nào được gọi là bảng trở kháng có kiểm soát? Bảng mạch trở kháng có kiểm soát có nghĩa là trở kháng đặc trưng của tất cả các đường truyền trên PCB tuân thủ các thông số kỹ thuật mục tiêu thống nhất. Điều này thường có nghĩa là tất cả các đường truyền có trở kháng đặc trưng từ 25μC đến 70μC.

Từ quan điểm tín hiệu

Cách hiệu quả nhất để xem xét trở kháng đặc trưng là quan sát những gì tín hiệu nhìn thấy khi nó di chuyển dọc theo đường truyền. Để đơn giản hóa việc thảo luận về vấn đề, giả sử rằng đường truyền là loại microband và mặt cắt ngang của đường truyền là nhất quán khi tín hiệu đi dọc theo đường truyền.

Thêm tín hiệu bước với biên độ 1V vào đường truyền. Tín hiệu bước là một pin 1V được kết nối bởi mặt trước và được kết nối giữa đường tín hiệu và đường dẫn trở lại. Tại thời điểm pin được bật, dạng sóng điện áp tín hiệu sẽ di chuyển qua các điện môi với tốc độ ánh sáng, thường là khoảng 6 inch/giây (tại sao tín hiệu di chuyển nhanh như vậy, thay vì gần với tốc độ điện tử khoảng 1 cm/s, đây là một chủ đề khác, không được giới thiệu thêm ở đây). Tất nhiên, tín hiệu ở đây vẫn có một định nghĩa truyền thống. Tín hiệu được định nghĩa là sự khác biệt về điện áp giữa đường tín hiệu và đường trở lại, luôn thu được bằng cách đo chênh lệch điện áp tại bất kỳ điểm nào trên đường truyền và trên đường trở lại của tín hiệu liền kề.

Tín hiệu được chuyển tiếp dọc theo đường truyền với tốc độ 6 inch/nano giây. Điều gì sẽ xảy ra với tín hiệu trong quá trình truyền tải? Trong khoảng thời gian 10 giây đầu tiên, tín hiệu di chuyển khoảng cách 0,06 inch dọc theo đường truyền. Giả sử thời gian khóa là tại thời điểm này, hãy xem xét những gì đang xảy ra trên đường truyền. Trong hành trình này, việc truyền tín hiệu thiết lập một tín hiệu ổn định và không đổi với biên độ 1V giữa phần này của đường truyền và kênh trả lại tín hiệu liền kề tương ứng. Điều này có nghĩa là điện tích dương và âm bổ sung đã được tích lũy trên phần này của đường truyền và trên đường trở lại tương ứng để thiết lập điện áp ổn định này. Chính sự khác biệt về điện tích này đã thiết lập và duy trì tín hiệu điện áp 1V ổn định giữa hai dây dẫn, tín hiệu điện áp ổn định giữa các dây dẫn thiết lập điện dung giữa hai dây.

Đoạn đường truyền phía sau bề mặt mảng của sóng tín hiệu trên đường truyền không rõ liệu có truyền tín hiệu hay không, vì vậy điện áp giữa đường tín hiệu và đường trở lại vẫn ở mức 0. Trong khoảng thời gian 10ps tiếp theo, tín hiệu sẽ đi một khoảng cách nhất định dọc theo đường truyền. Khi tín hiệu tiếp tục lan truyền, một đường truyền 1V sẽ được thiết lập giữa một đoạn đường truyền khác có chiều dài 0,06 inch và đường dẫn trở lại tín hiệu tương ứng. Tín hiệu điện áp. Để làm điều này, một lượng điện tích dương nhất định phải được bơm vào đường tín hiệu và cùng một lượng điện tích âm phải được bơm vào đường tín hiệu trở lại. Đối với mỗi 0,06 inch tín hiệu truyền dọc theo đường truyền, nhiều điện tích dương hơn sẽ được bơm vào đường tín hiệu và nhiều điện tích âm hơn sẽ được đưa vào đường trở lại của tín hiệu. Mỗi khoảng thời gian 10ps, một phần khác của đường truyền sẽ được sạc đến 1V và tín hiệu sẽ tiếp tục đi theo hướng của đường truyền.

Những cáo buộc này đến từ đâu? Câu trả lời đến từ nguồn tín hiệu, đó là pin mà chúng tôi sử dụng để cung cấp tín hiệu bước và kết nối với mặt trước của đường truyền. Khi tín hiệu đi trên đường truyền, tín hiệu liên tục sạc các đoạn đường truyền mà nó đi, đảm bảo rằng điện áp 1V được thiết lập và duy trì ở bất cứ nơi nào tín hiệu được truyền đi. Với mỗi khoảng thời gian 10ps, tín hiệu sẽ đi một khoảng cách nhất định trên đường truyền và rút một lượng điện tích nhất định từ hệ thống điện. Pin cung cấp một lượng điện tích nhất định bên ngoài trong một khoảng thời gian để tạo ra dòng tín hiệu liên tục. Dòng điện tích cực chảy từ pin vào đường tín hiệu trong khi dòng điện tiêu cực cùng kích thước chảy qua đường hồi tín hiệu.

Dòng điện âm chảy qua đường trở lại của tín hiệu chính xác giống như dòng điện dương chảy vào đường tín hiệu. Ngoài ra, tại vị trí của bề mặt mảng sóng tín hiệu, dòng điện xoay chiều chảy qua tụ điện được hình thành bởi đường tín hiệu và đường trở lại tín hiệu, hoàn thành vòng lặp tín hiệu.

Trở kháng đặc trưng của đường truyền

Từ quan điểm của pin, một khi kỹ sư thiết kế đã kết nối dây dẫn của pin với mặt trước của đường truyền, dòng điện từ pin luôn không đổi và tín hiệu điện áp vẫn ổn định. Người ta có thể hỏi, loại linh kiện điện tử nào có hành vi như vậy? Khi tín hiệu điện áp không đổi được thêm vào, nó sẽ duy trì một giá trị hiện tại không đổi, đó chắc chắn là một điện trở.

Đối với pin, khi tín hiệu di chuyển về phía trước dọc theo đường truyền, cứ sau 10 giây, một phân đoạn đường truyền mới 0,06 inch sẽ được thêm vào để sạc tới 1V. Phí bổ sung mới thu được từ pin đảm bảo sự ổn định của pin. Dòng điện rút ra dòng điện liên tục từ pin, đường truyền tương đương với điện trở và điện trở là không đổi. Chúng tôi gọi nó là trở kháng tăng của đường truyền.

Tương tự như vậy, khi tín hiệu di chuyển về phía trước dọc theo đường truyền, tín hiệu liên tục phát hiện môi trường điện của đường truyền cho mỗi khoảng cách nhất định và cố gắng xác định trở kháng của tín hiệu khi nó di chuyển xa hơn. Một khi tín hiệu đã được thêm vào và đi dọc theo đường truyền, bản thân tín hiệu đã kiểm tra xem cần bao nhiêu dòng điện để sạc đường truyền đi trong khoảng thời gian 10ps và sạc phần này của đoạn đường truyền đến 1V. Đây là giá trị trở kháng tức thời mà chúng tôi muốn phân tích.

Từ quan điểm của pin chính nó, nếu tín hiệu đi theo hướng của đường truyền với tốc độ không đổi và giả định rằng đường truyền có mặt cắt ngang đồng nhất, thì cùng một lượng điện cần phải được lấy từ pin mỗi khi tín hiệu đi với độ dài cố định (ví dụ: khoảng cách tín hiệu đi trong khoảng thời gian 10 giây) để đảm bảo rằng phần này của đường truyền được sạc với cùng điện áp tín hiệu. Mỗi khi tín hiệu truyền đi một khoảng cách cố định, pin sẽ nhận được cùng một dòng điện và điện áp tín hiệu sẽ vẫn nhất quán. Trong quá trình truyền tín hiệu, trở kháng tức thời ở mọi nơi trên đường truyền đều giống nhau.

Trong quá trình truyền tín hiệu dọc theo đường truyền, nếu có tốc độ truyền tín hiệu nhất quán ở mọi nơi trên đường truyền và điện dung có cùng chiều dài đơn vị, tín hiệu sẽ luôn thấy trở kháng tức thời hoàn toàn nhất quán trong quá trình truyền. Vì trở kháng vẫn không đổi trên toàn bộ đường truyền, chúng tôi đưa ra một tên cụ thể để biểu thị đặc tính này hoặc đặc tính của một đường truyền cụ thể, được gọi là trở kháng đặc trưng của đường truyền. Trở kháng đặc trưng đề cập đến giá trị trở kháng tức thời mà tín hiệu nhìn thấy khi nó truyền dọc theo đường truyền. Đường truyền này được gọi là đường truyền trở kháng có kiểm soát nếu trở kháng đặc trưng mà tín hiệu nhìn thấy vẫn không thay đổi khi tín hiệu đang truyền trên đường truyền.

Trở kháng đặc trưng của đường truyền là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế

Trở kháng tức thời hoặc trở kháng đặc trưng của đường truyền là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Nếu trở kháng giữa các khoảng truyền tín hiệu liền kề không thay đổi trong quá trình truyền tín hiệu, thì tín hiệu có thể truyền về phía trước rất trơn tru và tình hình trở nên rất đơn giản. Nếu có sự khác biệt giữa các khoảng truyền tín hiệu lân cận hoặc trở kháng thay đổi, một phần năng lượng trong tín hiệu sẽ được phản xạ trở lại và tính liên tục của truyền tín hiệu sẽ bị phá vỡ.

Để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt nhất, mục tiêu của thiết kế kết nối tín hiệu là đảm bảo rằng trở kháng mà tín hiệu nhìn thấy trong quá trình truyền vẫn không đổi nhất có thể. Điều này chủ yếu đề cập đến việc duy trì trở kháng đặc trưng của đường truyền không đổi. Do đó, nó ngày càng trở nên quan trọng để thiết kế và sản xuất bảng mạch PCB với trở kháng kiểm soát. Đối với bất kỳ thủ thuật thiết kế nào khác, chẳng hạn như giảm thiểu chiều dài ngón tay, khớp thiết bị đầu cuối, kết nối chuỗi daisy hoặc kết nối nhánh, v.v., là để đảm bảo tín hiệu có thể nhìn thấy trở kháng tức thời nhất quán.

Tính toán trở kháng đặc trưng

Từ mô hình đơn giản ở trên, chúng ta có thể suy ra giá trị của trở kháng đặc trưng, giá trị của trở kháng tức thời được nhìn thấy trong quá trình truyền tín hiệu. Trở kháng Z mà tín hiệu nhìn thấy trong mỗi khoảng thời gian truyền phù hợp với định nghĩa cơ bản của trở kháng

Z=V/I

Điện áp V ở đây đề cập đến điện áp tín hiệu được thêm vào đường truyền và hiện tại I đề cập đến tổng số tiền thu được từ pin trong mỗi khoảng thời gian.

I=Q/t

Điện tích chảy vào đường truyền (điện tích cuối cùng đến từ nguồn tín hiệu) được sử dụng để sạc điện dung được hình thành giữa đường tín hiệu mới được thêm vào và đường trở lại trong quá trình truyền tín hiệu "C đến điện áp V, do đó

Đảo Q=V Đảo C

Chúng ta có thể kết nối điện dung gây ra bởi tín hiệu truyền đi một khoảng cách nhất định trong quá trình truyền với giá trị điện dung CL trên một đơn vị chiều dài của đường truyền và tốc độ U mà tín hiệu truyền lên đường truyền. Trong khi đó, khoảng cách truyền tín hiệu là vận tốc U nhân với khoảng thời gian δt. Vì vậy

Đảo C=CL U Island

Kết hợp tất cả các phương trình trên, chúng ta có thể suy ra trở kháng tức thời là:

Z=V/I=V/(Đảo Q/Đảo)=V/

Có thể thấy rằng trở kháng tức thời có liên quan đến giá trị điện dung và tốc độ truyền tín hiệu trên mỗi đơn vị chiều dài đường truyền. Điều này cũng có thể được định nghĩa một cách giả tạo là trở kháng đặc trưng của đường truyền. Để tách vùng Z trở kháng đặc trưng khỏi trở kháng thực tế, chỉ số 0 được thêm vào đặc biệt trên trở kháng đặc trưng. Trở kháng đặc trưng của đường truyền tín hiệu có nguồn gốc từ trên:

Z0=1/（CL U）

Nếu giá trị điện dung trên một đơn vị chiều dài của đường truyền và tốc độ truyền tín hiệu trên đường truyền không đổi, đường truyền có trở kháng đặc trưng không đổi trong chiều dài của nó. Đường truyền này được gọi là đường truyền trở kháng có kiểm soát.

Như bạn có thể thấy từ mô tả ngắn gọn ở trên, một số kiến thức trực quan về điện dung có thể được liên kết với kiến thức trực quan mới được khám phá về trở kháng đặc trưng. Nói cách khác, nếu dây tín hiệu trong PCB được mở rộng, giá trị điện dung trên mỗi đơn vị chiều dài của đường truyền sẽ tăng lên và trở kháng đặc trưng của đường truyền có thể giảm.

Chủ đề thú vị

Một số tuyên bố khó hiểu về trở kháng đặc trưng của đường dây truyền tải thường được nghe. Theo phân tích trên, sau khi kết nối nguồn tín hiệu với đường truyền, bạn sẽ có thể thấy một giá trị nhất định của trở kháng đặc trưng của đường truyền, chẳng hạn như 50μ. Tuy nhiên, nếu đồng hồ đo ohm được kết nối với cùng một cáp RG58 dài 3 feet, trở kháng đo được là vô hạn.

Câu trả lời cho câu hỏi này là giá trị trở kháng nhìn thấy từ đầu phía trước của bất kỳ đường truyền nào thay đổi theo thời gian. Nếu thời gian đo trở kháng cáp đủ ngắn để so sánh với thời gian tín hiệu truyền qua lại trong cáp, trở kháng tăng của cáp hoặc trở kháng đặc trưng của cáp có thể được đo. Tuy nhiên, nếu bạn chờ đợi đủ thời gian, một phần năng lượng sẽ được phản xạ trở lại và được phát hiện bởi các dụng cụ đo lường. Tại thời điểm này, những thay đổi trở kháng có thể được phát hiện. Thông thường, trở kháng thay đổi qua lại trong quá trình này cho đến khi đạt được giá trị trở kháng. Đạt được trạng thái ổn định: Giá trị trở kháng cuối cùng là vô hạn nếu đầu cáp mở và giá trị trở kháng cuối cùng là 0 nếu đầu cáp ngắn mạch.

Đối với cáp RG58 dài 3 feet, quá trình đo trở kháng phải được hoàn thành trong khoảng thời gian dưới 3ns. Đây là nơi máy đo phản xạ miền thời gian (TDR) hoạt động. TDR có thể đo trở kháng động của đường truyền. Nếu phải mất một khoảng thời gian 1 giây để đo trở kháng của cáp RG58 dài 3 feet, tín hiệu đã được phản xạ qua lại hàng triệu lần trong khoảng thời gian đó, thì bạn có thể nhận được một giá trị trở kháng hoàn toàn khác với sự thay đổi lớn trong trở kháng, với kết quả cuối cùng là vô hạn vì các đầu cuối của cáp được mở.