Tecnología de PCB - Impedancia característica analítica

En los últimos años, an increasingly important issue in Este field of high-speed Diseño Sí. Diseño Circuito Tablas with controlled impedance and the characteristic impedance of interconnect lines on the circuit Tabla. Sin embargo,, Para no electrones Diseño Ingeniero, Esta es también la pregunta más desconcertante e intuitiva. Incluso muchos electrones Diseño Los ingenieros también están desconcertados.. Esta información introducirá brevemente la impedancia característica, Esperamos ayudarle a entender la calidad básica de la línea de transmisión.

¿Qué es una línea de transmisión?

¿Qué es una línea de transmisión? Dos conductores de cierta longitud forman una línea de transmisión. Uno de los conductores se convierte en un canal de transmisión de señales, mientras que el otro constituye una ruta de retorno de señales (aquí mencionamos la ruta de retorno de señales, que es en realidad la tierra que todo el mundo normalmente entiende, pero para facilitar la descripción, olvida temporalmente la tierra. Concepto). En el diseño de circuitos multicapas, cada interconexión de PCB constituye un conductor en una línea de transmisión que utiliza un plano de referencia adyacente como segundo conductor o ruta de retorno de señal de la línea de transmisión. ¿Qué tipo de interconexiones de PCB son buenas líneas de transmisión? En general, si la impedancia característica es consistente en cualquier lugar de la misma interconexión de PCB, la 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 impedancia de control? El tablero de impedancia controlada significa que la impedancia característica de todas las líneas de transmisión en el PCB cumple con la especificación de destino unificada. Esto generalmente significa que la impedancia característica de todas las líneas de transmisión está entre 25 y 70.

Desde el punto de vista de la señal

El método más eficaz para considerar la impedancia característica es observar lo que se ve cuando la señal viaja a lo largo de la línea de transmisión. Para simplificar la discusión, se supone que la línea de transmisión es de tipo MICROSTRIP y la sección transversal de la línea de transmisión es consistente cuando la señal viaja a lo largo de la línea de transmisión.

A ñadir una señal de paso de 1 V a la línea de transmisión. La señal de paso es una batería de 1 V conectada por el extremo delantero entre la línea de señal y el bucle. Cuando la batería está encendida, la forma de onda de tensión de la señal viaja a la velocidad de la luz en el Medio, generalmente a una velocidad de aproximadamente 6 pulgadas por segundo (por qué la señal viaja tan rápido en lugar de cerca de 1 cm / s de velocidad de propagación electrónica, otro tema que no se discute más aquí). Por supuesto, la señal aquí todavía tiene la definición tradicional. La señal se define como la diferencia de tensión entre la línea de señal y la ruta de retorno, que siempre se obtiene midiendo la diferencia de tensión entre cualquier punto de la línea de transmisión y la ruta de retorno de la señal adyacente.

La señal se transmite a lo largo de la línea de transmisión a una velocidad de 6 pulgadas por segundo. ¿Qué pasa con la transmisión de la señal? En el primer intervalo de 10 ps, la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión a una distancia de 0,06 pulgadas. Supongamos que el tiempo de bloqueo está en este punto, teniendo en cuenta lo que sucede en la línea de transmisión. A esta distancia de viaje, la transmisión de la señal establece una señal estable y constante con una amplitud de 1 V entre esta sección 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 trayectoria de retorno correspondiente para establecer el voltaje estable. Es esta diferencia de carga la que establece y mantiene una señal de tensión estable de 1 V entre los dos conductores, y la señal de tensión estable entre los conductores establece la Capacitancia entre los dos conductores.

El segmento de la línea de transmisión detrás del Frente de onda de la señal en la línea de transmisión no está claro si hay una señal a propagar, por lo que el voltaje entre la línea de señal y la ruta de retorno permanece cero. En el siguiente intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se propagará a lo largo de la línea de transmisión a cierta distancia. Dado que la señal continúa propagándose, se establecerá una línea de transmisión de 1 V entre otro segmento de línea de transmisión de 0,06 pulgadas de longitud y la ruta de retorno de la señal correspondiente. Tensión de la señal. Por lo tanto, una cierta cantidad de carga positiva debe ser inyectada en la línea de señal, y la misma cantidad de carga negativa debe ser inyectada en la ruta de retorno de la señal. Para la propagación de la señal cada 0,06 pulgadas a lo largo de la línea de transmisión, se inyectará más carga positiva en la línea de señal y más carga negativa en la trayectoria de retorno de la señal. A intervalos de 10 ps, otra parte de la línea de transmisión se cargará a 1 V y la señal seguirá viajando en la dirección de la línea de transmisión.

¿De dónde vienen estos gastos? La respuesta viene de la fuente de la señal, que es la batería que utilizamos para proporcionar la señal de paso y conectarla a la parte delantera de la línea de transmisión. Cuando la señal se propaga a través de la línea de transmisión, la señal carga continuamente el segmento de la línea de transmisión a través del cual se propaga, asegurándose de que se establece y mantiene un voltaje de 1 V entre la línea de señal y la ruta de retorno, independientemente de dónde se transmita la señal. Cada intervalo de tiempo de 10 ps, la señal se propagará a cierta distancia en la línea de transmisión, y extraer una cierta cantidad de carga del sistema de energía. La batería proporciona una cierta cantidad de carga externa durante un período de tiempo para formar una corriente de señal constante. La corriente positiva fluye de 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 idéntica a la corriente positiva que fluye a través de la línea de señal. Además, en la posición del Frente de onda de la señal, la corriente alterna fluye a través del condensador formado por la línea de señal y la ruta de retorno de la señal para completar el bucle de la señal.

Impedancia característica de la línea de transmisión

Desde el punto de vista de la batería, una vez que el ingeniero de diseño conecte el plomo de la batería al extremo delantero de la línea de transmisión, la corriente de salida de la batería siempre será constante y la señal de tensión se mantendrá estable. ¿Alguien podría preguntar, qué tipo de dispositivo electrónico tiene tal comportamiento? Cuando se a ñade una señal de tensión constante, mantiene un valor de corriente constante, que es, por supuesto, una resistencia.

En el caso de las baterías, se a ñadirá un nuevo segmento de línea de transmisión de 0,06 pulgadas a cada intervalo de 10 ps a medida que la señal se propaga a lo largo de la línea de transmisión para cargar hasta 1 V. La nueva carga adicional obtenida de la batería garantiza el mantenimiento de la estabilidad de la batería. La corriente extrae una corriente constante de la batería, la línea de transmisión es equivalente a la resistencia, la resistencia es constante. Lo llamamos Impedancia de Sobretensión de la línea de transmisión.

Del mismo modo, cuando la señal se propaga hacia adelante a lo largo de la línea de transmisión, la señal detecta continuamente el entorno eléctrico de la línea de señal por cada distancia de propagación y trata de determinar la Impedancia de la señal cuando se propaga hacia adelante. Una vez que la señal se a ñade a la línea de transmisión y se propaga a lo largo de ella, la propia señal ha estado comprobando la cantidad de corriente necesaria para cargar la longitud de la línea de transmisión que se propaga a lo largo de un intervalo de tiempo de 10 ps, y esta parte de la línea de transmisión se carga a 1 V. Este es el valor instantáneo de impedancia que vamos a analizar.

Desde el punto de vista de la propia batería, si la señal se propaga a una velocidad constante a lo largo de la dirección de la línea de transmisión y se asume que la línea de transmisión tiene una sección transversal uniforme, la longitud fija de cada propagación de la señal (por ejemplo, la distancia a la que la señal se propaga a intervalos de tiempo de 10 ps), Es necesario obtener la misma cantidad de carga de la batería para asegurar que esta parte de la línea de transmisión se cargue al mismo voltaje de señal. Cada vez que la señal se propaga a una distancia fija, la batería obtiene la misma corriente y el voltaje de la señal se mantiene constante. En el proceso de propagación de la señal, la impedancia instantánea de la línea de transmisión es la misma.

En el proceso de propagación de la señal a lo largo de la línea de transmisión, si la línea de transmisión tiene la misma velocidad de propagación de la señal en todas partes, y la Capacitancia por unidad de longitud es la misma, entonces la señal siempre verá la impedancia instantánea completamente consistente en el proceso de propagación. Dado que la impedancia se mantiene constante a lo largo de toda la línea de transmisión, se da un nombre específico para describir las características de una línea de transmisión específica, que se llama impedancia característica de la línea de transmisión. La impedancia característica es el valor instantáneo de la impedancia que la señal ve cuando se propaga a lo largo de la línea de transmisión. Esta línea de transmisión se llama línea de transmisión de impedancia controlada si la impedancia característica vista por la señal se mantiene constante a lo largo de la línea de transmisión.

La impedancia característica de la línea de transmisión es el factor más importante Diseño

La impedancia instantánea o característica de la línea de transmisión es el factor más importante que afecta la calidad de la señal. Si la impedancia entre los intervalos de propagación de la señal adyacente se mantiene igual durante la propagación de la señal, la señal puede propagarse hacia adelante muy suavemente y la situación se hace muy simple. Si hay una diferencia entre los intervalos de propagación de la señal adyacente, o si la impedancia cambia, parte de la energía de la señal será reflejada de nuevo, y la continuidad de la transmisión de la señal será destruida.

Con el fin de garantizar una calidad óptima de la señal, el objetivo del diseño de la interconexión de la señal es garantizar que la impedancia que se ve durante la transmisión de la señal se mantenga lo más constante posible. Esto se refiere principalmente a mantener la impedancia característica constante de la línea de transmisión. Por lo tanto, el diseño y la fabricación de PCB con impedancia controlada son cada vez más importantes. En cuanto a cualquier otra técnica de diseño, como minimizar la longitud del dedo, emparejamiento de terminales, conexión de cadena de crisantemo o conexión de rama, Etc.., es para asegurar que la señal puede ver una impedancia instantánea consistente.

Cálculo de la impedancia característica

A partir del modelo simple anterior, podemos derivar el valor de la impedancia característica, es decir, el valor de la impedancia instantánea durante la transmisión de la señal. La impedancia Z vista por la señal en cada intervalo de propagación es consistente con la definición básica de impedancia

Z = V / I

Aquí el voltaje V se refiere al voltaje de la señal aplicado a la línea de transmisión, y la corriente I se refiere a la cantidad total de carga obtenida de la batería en cada intervalo de tiempo t

I = Q / t

La carga que fluye en la línea de transmisión (la carga que eventualmente proviene de la fuente de la señal) se utiliza para cargar el condensador formado entre la línea de señal recién añadida y la ruta de retorno durante la propagación de la señal a la tensión V, por lo que

Q = v - C

Podemos correlacionar la Capacitancia causada por la propagación de la señal a cierta distancia con el valor de Capacitancia CL por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad u de la señal transmitida en la línea de transmisión. Al mismo tiempo, la distancia recorrida por la señal es la velocidad u veces el intervalo de tiempo Island T. Así que...

C = CL u Island

Combinando todas las ecuaciones anteriores, podemos obtener la impedancia instantánea:

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

Se puede ver que la impedancia instantánea está relacionada con la Capacitancia y la velocidad de transmisión de la señal por unidad de longitud de línea de transmisión. Esto también puede definirse artificialmente como la impedancia característica de la línea de transmisión. Para separar la impedancia característica de la impedancia real, se a ñadió un subíndice 0 a la impedancia característica. La impedancia característica de la línea de transmisión de señales se deriva de la derivación anterior:

Z0 = 1 / (CL u)

Si el valor de Capacitancia por unidad de longitud de la línea de transmisión y la velocidad a la que la señal viaja en la línea de transmisión se mantienen constantes, la línea de transmisión tiene una impedancia característica constante a lo largo de su longitud. Esta línea de transmisión se llama línea de transmisión de impedancia controlada.

De la breve descripción anterior se desprende que algunos conocimientos intuitivos sobre la Capacitancia pueden vincularse al conocimiento intuitivo de la impedancia característica recientemente descubierta. En otras palabras, si el cableado de la señal en el PCB se ensancha, el valor de Capacitancia por unidad de longitud de la línea de transmisión aumenta, y la impedancia característica de la línea de transmisión se puede reducir.

Un tema interesante

A menudo se pueden escuchar algunas declaraciones confusas sobre la impedancia característica de la línea de transmisión. Sobre la base del análisis anterior, después de conectar la fuente de señal a la línea de transmisión, debe ser capaz de ver un valor específico de la impedancia característica de la línea de transmisión, por ejemplo, 50 islas. Sin embargo, si el ohmmeter está conectado al mismo cable rg58 de 3 pies de largo, la impedancia medida es infinita.

La respuesta a esta pregunta es que el valor de impedancia visto desde la parte delantera de cualquier línea de transmisión varía con el tiempo. La Impedancia de Sobretensión del cable o la impedancia característica del cable se puede medir si el tiempo de medición de la impedancia del cable es lo suficientemente corto como para coincidir con el tiempo necesario para que la señal viaje de ida y vuelta en el cable. Sin embargo, si usted espera lo suficiente, parte de la energía será reflejada y detectada por el instrumento de medición. En este punto, se puede detectar un cambio de impedancia. En general, durante este proceso, la impedancia cambiará de nuevo hasta el valor de la impedancia. Estado estacionario: si el extremo del cable está abierto, el valor final de impedancia es infinito, si el extremo del cable es corto, el valor final de resistencia es cero.

Para un cable rg58 de 3 pies de largo, el proceso de medición de impedancia debe completarse en un intervalo de tiempo inferior a 3 ns. Esto es lo que el reflectómetro de dominio de tiempo (TDR) hará. TDR puede medir la impedancia dinámica de la línea de transmisión. Si toma un intervalo de 1 s medir la Impedancia de un cable rg58 de 3 pies de largo, y la señal se ha reflejado de ida y vuelta millones de veces durante ese intervalo, entonces usted puede obtener un valor de impedancia completamente diferente de los grandes cambios en la impedancia, y el resultado final es infinito, ya que Los terminales del cable están abiertos.