PCB-Technologie - Das charakteristische Impedanzproblem der Leiterplattentechnologie im Hochgeschwindigkeitsdesign

Im Hochgeschwindigkeitsdesign ist die charakteristische Impedanz steuerbarer Impedanzboards und -leitungen eines der wichtigsten und häufigsten Probleme. Verstehen Sie zuerst die Definition einer Übertragungsleitung: Eine Übertragungsleitung besteht aus zwei Leitern mit einer bestimmten Länge, ein Leiter wird verwendet, um Signale zu senden, und der andere wird verwendet, um Signale zu empfangen (erinnern Sie sich an das Konzept der "Schleife" anstelle von "Masse"). In einer mehrschichtigen Platine ist jede Leitung eine Komponente der Übertragungsleitung, und die benachbarte Bezugsebene kann als zweite Linie oder Schleife verwendet werden. Der Schlüssel zu einer "guten Leistung"-Übertragungsleitung besteht darin, ihre charakteristische Impedanz während der gesamten Leitung konstant zu halten.

Der Schlüssel dazu, dass die Leiterplatte zu einer "steuerbaren Impedanzplatte" wird, besteht darin, dass die charakteristische Impedanz aller Schaltungen einen bestimmten Wert erreicht, normalerweise zwischen 25-Ohm und 70-Ohm. Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte besteht der Schlüssel zu guter Übertragungsleitungsleistung darin, ihre charakteristische Impedanz über die gesamte Leitung konstant zu halten.

Aber was ist die charakteristische Impedanz? Der einfachste Weg, die charakteristische Impedanz zu verstehen, ist zu betrachten, was das Signal während der Übertragung trifft. Wenn Sie sich entlang einer Übertragungsleitung mit demselben Querschnitt bewegen, ähnelt dies der Mikrowellenleitung in Abbildung 1. Angenommen, eine Spannungsschrittwelle von 1 Volt wird dieser Übertragungsleitung hinzugefügt. Zum Beispiel ist eine 1-Volt-Batterie mit dem vorderen Ende der Übertragungsleitung verbunden (sie befindet sich zwischen der Übertragungsleitung und der Schleife). Einmal angeschlossen, wandert das Spannungswellensignal entlang der Linie mit Lichtgeschwindigkeit. Propagation, seine Geschwindigkeit ist normalerweise etwa 6 Zoll/Nanosekunde. Natürlich ist dieses Signal tatsächlich die Spannungsdifferenz zwischen der Übertragungsleitung und der Schleife, und es kann von jedem Punkt der Übertragungsleitung und dem benachbarten Punkt der Schleife gemessen werden. Abb. 2 ist ein schematisches Diagramm der Übertragung des Spannungssignals.

Zens Methode besteht darin, zuerst "ein Signal zu erzeugen" und es dann entlang dieser Übertragungsleitung mit einer Geschwindigkeit von 6 Zoll pro Nanosekunde zu verbreiten. Die erste 0.01 Nanosekunde rückt 0.06 Zoll voran. Zu diesem Zeitpunkt hat die Sendeleitung überschüssige positive Ladung und die Schleife überschüssige negative Ladung. Es ist die Differenz zwischen diesen beiden Arten von Ladungen, die die 1-Volt-Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern beibehält. Und diese beiden Leiter bilden einen Kondensator.

In der nächsten 0.01 Nanosekunde, um die Spannung einer 0.06 Zoll Übertragungsleitung von 0 bis 1 Volt einzustellen, ist es notwendig, etwas positive Ladung zur Sendeleitung und etwas negative Ladung zur Empfangsleitung hinzuzufügen. Für jeden 0.06 Zoll Bewegung muss mehr positive Ladung zur Übertragungsleitung hinzugefügt werden, und mehr negative Ladung muss zur Schleife hinzugefügt werden. Alle 0,01 Nanosekunden muss ein anderer Abschnitt der Übertragungsleitung geladen werden, und dann beginnt sich das Signal entlang dieses Abschnitts zu verbreiten. Die Ladung kommt von der Batterie am vorderen Ende der Übertragungsleitung. Wenn er sich entlang dieser Leitung bewegt, lädt er den kontinuierlichen Teil der Übertragungsleitung auf und bildet so eine Spannungsdifferenz von 1 Volt zwischen der Übertragungsleitung und der Schleife. Jede 0,01 Nanosekunde des Fortschritts wird etwas Ladung (±Q) von der Batterie erhalten, und die konstante Menge an Elektrizität (±Q), die aus der Batterie in einem konstanten Zeitintervall (±t) fließt, ist ein konstanter Strom. Der negative Strom, der in die Schleife fließt, ist eigentlich derselbe wie der positive Strom, der herausfließt, und er befindet sich gerade am vorderen Ende der Signalwelle. Der Wechselstrom fließt durch den Kondensator, der von den oberen und unteren Leitungen gebildet wird, um den gesamten Zyklus zu beenden.

Die Impedanz der Leitung

Bei Batterien, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung ausbreitet, wird das kontinuierliche 0,06 Zoll Übertragungsleitungssegment alle 0,01 Nanosekunden aufgeladen. Wenn ein konstanter Strom von der Stromversorgung erhalten wird, sieht die Übertragungsleitung wie eine Impedanzvorrichtung aus, und ihr Impedanzwert ist konstant, was die "Stoßimpedanz" der Übertragungsleitung genannt werden kann.

Wenn sich ein Signal entlang der Linie ausbreitet, vor dem nächsten Schritt, innerhalb von 0,01 Nanosekunden, welcher Strom kann die Spannung dieses Schrittes auf 1 Volt erhöhen? Dies beinhaltet das Konzept der momentanen Impedanz.

Aus der Perspektive der Batterie, wenn sich das Signal entlang der Übertragungsleitung mit einer stabilen Geschwindigkeit ausbreitet und die Übertragungsleitung den gleichen Querschnitt hat, wird für jeden Schritt in 0,01 Nanosekunden die gleiche Ladung benötigt, um die gleiche Signalspannung zu erzeugen. Wenn sie entlang dieser Linie geht, erzeugt sie die gleiche momentane Impedanz, die als ein Merkmal der Übertragungsleitung angesehen wird und die charakteristische Impedanz genannt wird. Wenn die charakteristische Impedanz des Signals in jedem Schritt des Übertragungsprozesses gleich ist, kann die Übertragungsleitung als steuerbare Impedanz-Übertragungsleitung angesehen werden.

Momentane Impedanz oder charakteristische Impedanz ist sehr wichtig für die Qualität der Signalübertragung. Wenn die Impedanz des nächsten Schrittes während des Übertragungsprozesses gleich der Impedanz des vorherigen Schrittes ist, kann die Arbeit reibungslos ablaufen, aber wenn sich die Impedanz ändert, treten einige Probleme auf.

Um die beste Signalqualität zu erreichen, ist das Designziel der internen Verbindung, die Impedanz während des Signalübertragungsprozesses so stabil wie möglich zu halten. Zunächst muss die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung stabil gehalten werden. Daher wird die Herstellung steuerbarer Impedanzplatinen immer wichtiger. Darüber hinaus werden andere Methoden wie die kürzeste verbleibende Drahtlänge, Endentfernung und ganzer Drahtgebrauch auch verwendet, um die Stabilität der momentanen Impedanz bei der Signalübertragung aufrechtzuerhalten.

Berechnung der charakteristischen Impedanz

Einfaches charakteristisches Impedanzmodell: Z=V/I, Z repräsentiert die Impedanz jedes Schrittes im Signalübertragungsprozess, V repräsentiert die Spannung, wenn das Signal in die Übertragungsleitung eintritt, und I repräsentiert den Strom. I=±Q/±t, Q steht für Elektrizität und t für die Zeit jedes Schrittes.

Strom (aus Batterie): ±Q=±C*V, C steht für Kapazität und V für Spannung. Die Kapazität kann durch die Kapazität CL pro Einheitslänge der Übertragungsleitung und die Signalübertragungsgeschwindigkeit v abgeleitet werden. Der Längenwert des Einheitsstifts wird als Geschwindigkeit betrachtet und dann mit der Zeit t multipliziert, die für jeden Schritt erforderlich ist, dann wird die Formel erhalten: ±C=CL*v*(±t)t. Kombiniert man die obigen Elemente, können wir die charakteristische Impedanz erhalten: Z= V/I=V/(±Q/±t)=V/(±t)=V/(±C*V/ t)=V/(CL/)

Es kann gesehen werden, dass die charakteristische Impedanz mit der Einheitslängenkapazität der Übertragungsleitung und der Signalübertragungsgeschwindigkeit zusammenhängt. Um die charakteristische Impedanz von der tatsächlichen Impedanz Z zu unterscheiden, addieren wir 0 nach Z. Die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ist: Z0=1/(CL*v).

Bleiben die Kapazität pro Längeneinheit der Übertragungsleitung und die Signalübertragungsgeschwindigkeit unverändert, bleibt auch die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung unverändert. Diese einfache Erklärung kann den gesunden Sinn für Kapazität mit der neu entdeckten charakteristischen Impedanztheorie verbinden. Wird die Kapazität pro Längeneinheit der Übertragungsleitung erhöht, z. B. die Verdickung der Übertragungsleitung, kann die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung verringert werden.

Messung der charakteristischen Impedanz

Wenn die Batterie an die Übertragungsleitung angeschlossen ist (vorausgesetzt, die Impedanz beträgt zu diesem Zeitpunkt 50-Ohms), schließen Sie den Ohmmeter an das 3-Fuß-lange optische RG58-Kabel an. Wie kann man die unendliche Impedanz zu diesem Zeitpunkt messen? Die Impedanz einer Übertragungsleitung hängt von der Zeit ab. Wenn Sie die Impedanz des Glasfaserkabels in einer kürzeren Zeit als die Reflexion des Glasfaserkabels messen, messen Sie die "Stoßimpedanz" oder die charakteristische Impedanz. Wartet man aber lange genug, bis die Energie zurückgespiegelt und empfangen wird, ändert sich die Impedanz nach der Messung. Im Allgemeinen erreicht der Impedanzwert einen stabilen Grenzwert nach dem Zurückprallen auf und ab.

Bei einem 3-Fuß langen optischen Kabel muss die Impedanzmessung innerhalb von drei Nanosekunden abgeschlossen werden. TDR (Time Domain Reflectometer) kann dies tun, es kann die dynamische Impedanz der Übertragungsleitung messen. Wenn Sie die Impedanz eines 3-Fuß-Glasfaserkabels innerhalb einer Sekunde messen, wird das Signal millionenfach hin und her reflektiert, was zu unterschiedlichen "Stoßimpedanzen" führt.