Noticias de PCB - Introducción a la resistencia característica

En los últimos años, en el campo del diseño de alta velocidad, un problema cada vez más importante es el diseño de placas de circuito con resistencia controlada y la resistencia característica de la interconexión en placas de circuito impreso. Sin embargo, para los ingenieros de diseño no electrónicos, este es también el problema más confuso e intuitivo. Incluso muchos ingenieros de diseño electrónico están confundidos al respecto. Esta información dará una breve e intuitiva introducción a la resistencia característica, con la esperanza de ayudarle a comprender la calidad más básica de la línea de transmisión.

¿¿ qué es una línea de transmisión?

¿¿ qué es una línea de transmisión? Dos cables de cierta longitud forman una línea de transmisión. Uno de los conductores se convierte en un canal de transmisión de señal y el otro forma un camino de retorno de señal (aquí mencionamos el camino de retorno de señal, que en realidad es el lugar que todo el mundo suele entender, pero para facilitar la descripción, se olvida temporalmente del concepto de tierra). en el diseño de placas de circuito multicapa, Cada interconexión de PCB constituye un conductor en la línea de transmisión, y la línea de transmisión utiliza un plano de referencia adyacente como segundo conductor de la línea de transmisión o ruta de retorno de la señal. ¿¿ qué tipo de interconexión de PCB es una buena línea de transmisión? Por lo general, si la resistencia característica es consistente en cualquier lugar de la interconexión del mismo pcb, entonces tal línea de transmisión se convierte en una línea de transmisión de alta calidad. ¿¿ qué tipo de placa de circuito se llama placa de circuito de Resistencia controlada? La placa de circuito de resistencia controlada significa que la resistencia característica de todas las líneas de transmisión en el PCB cumple con las especificaciones objetivo unificadas. Esto generalmente significa que la resistencia característica de todas las líneas de transmisión está entre 25 y 70 islas.

Desde el punto de vista de la señal

La forma más eficaz de considerar la resistencia característica es comprobar lo que se ve cuando la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión. Para simplificar la discusión del problema, se supone que la línea de transmisión es de tipo MICROSTRIP y que la sección transversal de la línea de transmisión es consistente cuando la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión.

Añadir una señal escalonada con amplitud de 1v a la línea de transmisión. La señal de paso es una batería de 1v, conectada a través de la parte delantera y conectada entre el cable de señal y la ruta de retorno. En el momento en que se conecte la batería, la forma de onda de voltaje de la señal se propagará en el dieléctrico a la velocidad de la luz, generalmente a una velocidad de aproximadamente 6 pulgadas / ns (por qué la señal se propaga tan rápido en lugar de cerca de una velocidad de propagación electrónica de aproximadamente 1 cm / s, este es otro tema que no se presenta más). Por supuesto, las señales aquí todavía tienen una definición tradicional. La señal se define como la diferencia de voltaje entre la línea de señal y la ruta de retorno, que siempre se obtiene midiendo la diferencia de voltaje en cualquier punto de la línea de transmisión y la ruta de retorno de señal adyacente.

La señal se transmite hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión a una velocidad de 6 pulgadas / ns. ¿¿ qué tipo de situaciones encontrará la señal durante la transmisión? Durante el primer intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se extendió a una distancia de 0,06 pulgadas a lo largo de la línea de transmisión. Suponiendo que el tiempo de bloqueo esté en este momento, considere lo que sucedió en la línea de transmisión. En esta distancia de viaje, la transmisión de la señal establece una señal estable y constante con una amplitud de 1v entre esta parte de la línea de transmisión y el canal de retorno de la señal adyacente correspondiente. Esto significa que la carga positiva adicional y la carga negativa adicional se han acumulado en esta parte de la línea de transmisión y la ruta de retorno correspondiente para establecer este voltaje estable. Son estas diferencias de carga las que establecen y mantienen una señal de voltaje estable de 1v entre los dos conductores, y la señal de voltaje estable entre los conductores establece un capacitor entre los dos conductores.

En este momento, el segmento de transmisión de la línea de transmisión detrás del Frente de onda de la señal no sabía que se propagaría la señal, por lo que el voltaje entre la línea de señal y la ruta de retorno se mantuvo en cero. Durante el siguiente intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se propagará a cierta distancia a lo largo de la línea de transmisión. A medida que la señal continúe circulando, se establecerá una línea de transmisión de 1v entre otro segmento de transmisión de 0,06 pulgadas de longitud y la ruta de retorno de la señal correspondiente. Voltaje de la señal. Para ello, se debe inyectar una cierta cantidad de carga positiva en la línea de señal y se debe inyectar la misma cantidad de carga negativa en la ruta de retorno de la señal. Para la propagación de la señal por cada 0,06 pulgadas a lo largo de la línea de transmisión, se inyectarán más cargas positivas en la línea de señal y más cargas negativas en la ruta de retorno de la señal. A intervalos de 10 ps, otro tramo de la línea de transmisión se cargará a 1 V y la señal seguirá circulando en la dirección de la línea de transmisión.

¿¿ de dónde vinieron estas acusaciones? La respuesta proviene de la fuente de señal, es decir, la batería que utilizamos para proporcionar señales de paso y conectarse a la parte delantera de la línea de transmisión. Cuando la señal se propaga en la línea de transmisión, la señal carga continuamente el segmento de la línea de transmisión por el que se propaga, asegurando que el voltaje de 1v se establece y mantiene entre la línea de señal y la ruta de retorno de la transmisión de la señal. Cada intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se propaga a cierta distancia en la línea de transmisión y extrae una cierta cantidad de carga eléctrica del sistema eléctrico. La batería proporciona una cierta cantidad de carga eléctrica al exterior durante un período de tiempo para formar una corriente de señal constante. La corriente positiva fluye desde la batería a la línea de señal, mientras que la corriente negativa del mismo tamaño fluye a través de la ruta de retorno de la señal.

La corriente negativa que fluye a través de la ruta de retorno de la señal es exactamente la misma que la corriente positiva que fluye a través de la línea de señal de entrada. Además, en la posición frente a la señal, la corriente AC fluye a través de un capacitor formado por la línea de señal y la ruta de retorno de la señal, completando así el circuito de señal.

Resistencia característica de la línea de transmisión

Desde el punto de vista de la batería, una vez que el ingeniero de diseño conecta el cable de la batería a la parte delantera de la línea de transmisión, siempre hay una salida de corriente constante en la batería y la señal de voltaje se mantiene estable. ¿Alguien puede preguntarse, ¿ qué tipo de componentes electrónicos se comportarán así? Al agregar una señal de voltaje constante, mantendrá un valor de corriente constante, por supuesto, esta es una resistencia.

En cuanto a la batería, cuando la señal se propaga hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión, el intervalo de tiempo de cada 10 ps aumentará en 0,06 pulgadas el nuevo segmento de transmisión para cargarlo a 1 V. La nueva carga adicional obtenida de la batería garantiza la estabilidad de la batería. La corriente extrae una corriente constante de la batería, la línea de transmisión es equivalente a una resistencia, y la resistencia es constante. Lo llamamos la resistencia a las oleadas de la línea de transmisión.

Del mismo modo, cuando la señal se propaga hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión, cada vez que se propaga a una cierta distancia, la señal detecta constantemente el entorno eléctrico de la línea de señal e intenta determinar la resistencia de la señal cuando se propaga más hacia adelante. Una vez que la señal se añade a la línea de transmisión y se propaga a lo largo de la línea de transmisión, la propia señal ha estado revisando cuánta corriente se necesita para cargar la longitud de la línea de transmisión que se propaga a lo largo del intervalo de tiempo de 10 ps y cargar esta parte de la línea de transmisión a 1 V. Este es el valor de resistencia instantánea que queremos analizar.

Desde el punto de vista de la propia batería, si la señal se propaga a una velocidad constante en la dirección de la línea de transmisión y se supone que la línea de transmisión tiene una sección transversal uniforme, entonces la señal se propaga a una longitud fija (por ejemplo, la distancia a la que la señal se propaga a un intervalo de tiempo de 10 ps), Entonces necesitas obtener la misma electricidad de la batería para asegurarte de que esta línea de transmisión se cargue al mismo voltaje de señal. Cada vez que la señal se propaga a una distancia fija, se obtiene la misma corriente de la batería y el voltaje de la señal se mantendrá consistente. Durante la propagación de la señal, la resistencia instantánea es la misma en todas partes de la línea de transmisión.

En el proceso de propagación de la señal a lo largo de la línea de transmisión, si la línea de transmisión tiene una velocidad de propagación de la señal consistente en todas partes y la capacidad por unidad de longitud es la misma, la señal siempre verá una resistencia instantánea completamente consistente durante la propagación. Debido a que la resistencia se mantiene sin cambios en toda la línea de transmisión, damos un nombre específico para representar esta característica o característica de una línea de transmisión específica, llamada resistencia característica de la línea de transmisión. La resistencia característica se refiere al valor de resistencia instantánea visto por la señal cuando se propaga a lo largo de la línea de transmisión. Si la resistencia característica vista por la señal se mantiene sin cambios cuando la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión, entonces esta línea de transmisión se llama línea de transmisión de Resistencia controlada.

La resistencia característica de la línea de transmisión es el factor más importante en el diseño.

La resistencia instantánea o característica de la línea de transmisión es el factor más importante que afecta la calidad de la señal. Si la resistencia entre los intervalos de propagación de las señales adyacentes se mantiene sin cambios durante la propagación de la señal, la señal puede propagarse hacia adelante muy suavemente y la situación se vuelve muy simple. Si hay diferencias entre los intervalos de transmisión de la señal adyacentes o si la resistencia cambia, parte de la energía en la señal se reflejará de nuevo y se destruirá la continuidad de la transmisión de la señal.

Para garantizar una calidad óptima de la señal, el objetivo del diseño de interconexión de la señal es garantizar que la resistencia vista por la señal durante la transmisión se mantenga lo más constante posible. Esto se refiere principalmente a mantener la resistencia característica de la línea de transmisión constante. Por lo tanto, el diseño y la fabricación de placas de PCB con resistencia controlable se han vuelto cada vez más importantes. En cuanto a cualquier otra técnica de diseño, como minimizar la longitud de los dedos, emparejamiento de terminales, conexión de cadena de crisantemo o conexión de rama, etc., se trata de garantizar que la señal pueda ver una resistencia instantánea consistente.

Cálculo de la resistencia característica

A partir del modelo simple anterior, podemos deducir el valor de la resistencia característica, es decir, el valor de la resistencia instantánea que se ve durante la transmisión de la señal. La resistencia Z que la señal ve en cada intervalo de propagación coincide con la definición básica de la resistencia

Z = V / I

El voltaje V aquí se refiere al voltaje de la señal aplicado a la línea de transmisión, mientras que la corriente I se refiere a la carga total obtenida de la batería en cada intervalo de tiempo.

I = Isla Q / isla

La carga eléctrica que entra en la línea de transmisión (la carga finalmente proviene de la fuente de señal) se utiliza para cargar el capacitor C formado entre la línea de señal recién añadida durante la propagación de la señal y la ruta de retorno al voltaje v, por lo que

Isla q = Isla V C

Podemos asociar el capacitor causado por una cierta distancia de la señal durante la propagación con el valor de capacitor CL por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad u por la que la señal se propaga en la línea de transmisión. Al mismo tiempo, la distancia de propagación de la señal es la velocidad u multiplicada por el intervalo de tiempo. Así que

Isla C = Isla CLU

Combinando todas las ecuaciones anteriores, podemos deducir la resistencia instantánea de la siguiente manera:

Z = V / I = V / (isla q) = v

Se puede ver que la resistencia instantánea está relacionada con el valor de la capacidad por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad de transmisión de la señal. Esto también puede definirse artificialmente como la resistencia característica de la línea de transmisión. Para distinguir la resistencia característica de la resistencia real z, se añade especialmente el subíndice 0 a la resistencia característica. La resistencia característica de la línea de transmisión de señal se ha obtenido de la derivación anterior:

¼ 0 I 1 / (clu)

Si el valor de la capacidad por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad de propagación de la señal en la línea de transmisión se mantienen constantes, la línea de transmisión tiene una resistencia característica constante dentro de su longitud. Esta línea de transmisión se llama línea de transmisión de Resistencia controlada.

A partir de la breve descripción anterior, se puede ver que algunos conocimientos intuitivos sobre condensadores se pueden asociar con el conocimiento intuitivo de la resistencia característica recién descubierta. En otras palabras, si el cableado de señal en el PCB se ensancha, el valor de la capacidad por unidad de longitud de la línea de transmisión aumentará y la resistencia característica de la línea de transmisión se puede reducir.

Temas interesantes

En cuanto a la resistencia característica de la línea de transmisión, a menudo se pueden escuchar algunas afirmaciones confusas. Según el análisis anterior, después de conectar la fuente de señal a la línea de transmisión, debe ser capaz de ver un valor de la resistencia característica de la línea de transmisión, como 50 islas. Sin embargo, si Conectas un ohmmeter al mismo cable rg58 de 3 pies de largo, la resistencia medida es infinita.

La respuesta a esta pregunta es que el valor de resistencia visto desde la parte delantera de cualquier línea de transmisión cambiará con el tiempo. Si el tiempo de medición de la resistencia del cable es lo suficientemente corto como para compararse con el tiempo necesario para que la señal se transmita de ida y vuelta en el cable, se puede medir la resistencia de aumento del cable o la resistencia característica del cable. Sin embargo, si esperas el tiempo suficiente, una parte de la energía se reflejará y será detectada por el instrumento de medición. En este momento, se pueden detectar cambios en la resistencia. Por lo general, durante este proceso, la resistencia cambia de ida y vuelta hasta el valor de la resistencia. Alcanzar el Estado estable: si el extremo del cable está abierto, el valor final de resistencia es infinito, y si el extremo del cable está cortocircuito, el valor final de resistencia es cero.

Para los cables rg58 de 3 pies de largo, el proceso de medición de la resistencia debe completarse en un intervalo de tiempo inferior a 3 ns. Esto es lo que hará el reflector de dominio de tiempo (tdr). el TDR puede medir la resistencia dinámica de la línea de transmisión. Si se tarda un segundo en medir la resistencia de un cable rg58 de 3 pies de largo, la señal se ha reflejado millones de veces de ida y vuelta en este intervalo de tiempo, entonces es posible que obtenga un valor de resistencia completamente diferente al gran cambio en la resistencia, y el resultado final es infinito, ya que los terminales del cable Están Abiertos.

Lo anterior es la introducción de la resistencia característica. El IPCB también está disponible para los fabricantes de PCB y la tecnología de fabricación de pcb.