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Technologie PCB
Analyse de l'impédance caractéristique
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Analyse de l'impédance caractéristique

Analyse de l'impédance caractéristique

2021-08-20
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Author:IPCB

Ces dernières années, an increasingly important issue in the field of high-speed design is the design of circuit Plaques with controlled impedance and the characteristic impedance of interconnect lines on the circuit Plaque. Cependant,, for non-electronic design engineers, C'est aussi la question la plus confuse et la moins intuitive. Even many electronic design engineers are equally confused about this. Cette information donne une brève description visuelle de l'impédance caractéristique, hoping to help you understand the most basic quality of the transmission line.


Qu'est - ce qu'une ligne de transmission?


Qu'est - ce qu'une ligne de transmission? Deux conducteurs d'une certaine longueur forment une ligne de transmission. L'un des conducteurs devient le canal de transmission du signal, while the other conductor constitutes the signal return path (here we mention the signal return path, C'est une raiAlors...n que tout le monde comprend., Mais pour faciliter la description,, forget the ground for the time being. Concept.). Dans les circuits multicouches Plaque design, each PCB interconnection line constitutes a conductor in the transmission line, La ligne de transmission utilise un plan de référence adjacent comme deuxième conducteur ou chemin de retour du signal de la ligne de transmission.. What kind of PCB interconnection line is a good transmission line? En gros, if the characteristic impedance is consistent everywhere on the same PCB interconnection line, Ces lignes de transmission deviennent des lignes de transmission de haute qualité. What kind of circuit Plaque Appelé circuit d'impédance contrôlé Plaque? A controlled impedance circuit Plaque Cela signifie que l'impédance caractéristique de toutes les lignes de transmission sur les PCB est conforme à la spécification cible uniforme.. It usually means that the characteristic impedance of all transmission lines is between 25Ω and 70Ω.


Du point de vue du signal


La façon la plus efficace de considérer l'impédance caractéristique est d'observer ce que le signal voit lorsqu'il se déplace le long de la ligne de transmission.. Simplifier le débat sur cette question, it is assumed that the transmission line is a microstrip type, La section transversale de la ligne de transmission est constante lorsque le signal se déplace le long de la ligne de transmission..


Ajouter un signal de pas d'amplitude 1V à la ligne de transmission. Le signal stepper est une batterie 1V connectée à l'avant entre la ligne de signal et la boucle. Lorsque la batterie est allumée, la forme d'onde de tension du signal se propage dans le diélectrique à la vitesse de la lumière, généralement d'environ 6 pouces par seconde (pourquoi le signal se déplace si vite au lieu d'une vitesse électronique d'environ 1 centimètre par seconde est un autre sujet qui n'est pas abordé ici). Bien sûr, il y a encore une définition traditionnelle du signal ici. Le signal est défini comme la différence de tension entre la ligne de signal et la trajectoire de retour, généralement obtenue en mesurant la différence de tension entre n'importe quel point de la ligne de transmission et la trajectoire de retour du signal adjacent.


Le signal est transmis à une vitesse de 6 pouces par seconde le long de la ligne de transmission. Que se passe - t - il pendant la transmission du signal? Le signal s'est déplacé sur une distance de 0,06 pouce le long de la ligne de transmission au cours de l'intervalle précédent de 10 ps. Considérez ce qui se passe sur la ligne de transmission en supposant que le temps de verrouillage soit à ce moment. Pendant cette course, la transmission du signal établit un signal stable et constant d'une amplitude de 1V entre cette ligne de transmission et le canal de retour du signal adjacent correspondant. Cela signifie que des charges positives et négatives supplémentaires ont été accumulées sur cette partie de la ligne de transmission et sur la trajectoire de retour correspondante pour établir une tension stable. C'est cette différence de charge qui établit et maintient un signal de tension stable de 1V entre les deux conducteurs, et un signal de tension stable entre les conducteurs établit une capacité entre les deux conducteurs.


Le segment de la ligne de transmission derrière le front d'onde du signal sur la ligne de transmission n'est pas clair s'il y aura propagation du signal, de sorte que la tension entre la ligne de signal et la trajectoire de retour reste nulle. Au cours de l'intervalle de temps suivant de 10 PS, le signal sera transmis sur une certaine distance le long de la ligne de transmission. Au fur et à mesure que le signal continue de se propager, une ligne de transmission 1V sera établie entre un autre segment de transmission de 0,06 pouce de longueur et la trajectoire de retour du signal correspondante. Tension du signal. Pour ce faire, une certaine quantité de charge positive doit être injectée dans la ligne de signal et la même quantité de charge négative doit être injectée dans la trajectoire de retour du signal. Pour chaque signal de 0,06 pouce transmis le long de la ligne de transmission, plus de charge positive est injectée dans la ligne de signal et plus de charge négative est injectée dans la trajectoire de retour du signal. À intervalles de 10 PS, l'autre section de la ligne de transmission sera chargée à 1 V et le signal continuera de se propager dans la direction de la ligne de transmission.


D'où viennent ces frais? La réponse vient de la source du signal, la batterie que nous utilisons pour fournir le signal de pas et se connecter à l'avant de la ligne de transmission. Lorsque le signal se déplace sur la ligne de transmission, le signal charge continuellement le segment de la ligne de transmission qu'il propage, en s'assurant qu'une tension de 1 V est établie et maintenue entre la ligne de signal et la trajectoire de retour n'importe où où où le signal est transmis. À intervalles de 10 PS, le signal est transmis sur une certaine distance de la ligne de transmission et une certaine quantité de charge électrique est extraite du système électrique. La batterie fournit une certaine quantité de charge à l'extérieur pendant un certain temps pour former un courant de signal constant. Le courant positif s'écoule de la batterie dans la ligne de signal, tandis que le courant négatif de la même taille traverse la boucle de signal.


Le courant négatif qui traverse la boucle de signal est exactement le même que le courant positif qui s'écoule dans la ligne de signal. De plus, à la position du front d'onde du signal, le courant alternatif traverse la ligne de signal et le condensateur formé par la boucle de signal pour compléter la boucle de signal.


Impédance caractéristique de la ligne de transmission


Du point de vue de la batterie, une fois que l'Ingénieur de conception a raccordé le plomb de la batterie à l'extrémité avant de la ligne de transmission, le courant sortant de la batterie est toujours constant et le signal de tension reste stable. On pourrait se demander quel type d'électronique a un tel comportement. Lorsque vous ajoutez un signal de tension constante, il maintient une valeur de courant constante, qui est bien sûr une résistance.

Pour les batteries, un nouveau segment de ligne de transmission de 0,06 pouce est ajouté à intervalles de 10 PS lorsque le signal se déplace vers l'avant le long de la ligne de transmission et est chargé à 1 v. La nouvelle augmentation de la charge de la batterie assure la stabilité de la batterie. Le courant tire un courant constant de la batterie et la ligne de transmission est équivalente à une résistance constante. On appelle ça l'impédance de surtension de la ligne de transmission.


De même, lorsqu'un signal se déplace vers l'avant le long d'une ligne de transmission, le signal détecte continuellement l'environnement électrique de la ligne de signalisation à chaque distance particulière parcourue et tente de déterminer l'impédance du signal lorsqu'il se déplace vers l'avant. Une fois le signal ajouté à la ligne de transmission et propagé le long de celle - ci, le signal lui - même vérifie la quantité de courant nécessaire pour charger la longueur de la ligne de transmission qui se propage sur un intervalle de temps de 10 ps et charge cette partie de la ligne de transmission à 1 v. C'est la valeur d'impédance instantanée que nous analysons.


Du point de vue de la batterie elle - même, si le signal se propage à une vitesse constante dans la direction de la ligne de transmission et en supposant que la ligne de transmission ait une section transversale uniforme, une longueur fixe par propagation du signal (par exemple, la distance parcourue par le signal sur un intervalle de temps de 10 PS), Il doit ensuite obtenir la même quantité d'énergie de la batterie pour s'assurer que cette partie de la ligne de transmission est chargée à la même tension de signal. Chaque fois que le signal se déplace à une distance fixe, la batterie reçoit le même courant et la tension du signal reste constante. L'impédance instantanée est la même partout sur la ligne de transmission pendant la propagation du signal.


Si, au cours de la propagation du signal le long de la ligne de transmission, il y a une vitesse constante de propagation du signal à chaque endroit de la ligne de transmission et que la capacité par Unit é de longueur est la même, alors le signal verra toujours une impédance instantanée entièrement cohérente pendant la propagation. Comme l'impédance reste constante sur l'ensemble de la ligne de transmission, nous donnons un nom spécifique pour représenter cette caractéristique ou la caractéristique d'une ligne de transmission particulière, appelée impédance caractéristique de la ligne de transmission. L'impédance caractéristique est la valeur d'impédance instantanée que le signal voit lorsqu'il se déplace le long de la ligne de transmission. Si l'impédance caractéristique observée par le signal reste constante lorsque le signal se déplace le long de la ligne de transmission, cette ligne de transmission est appelée ligne de transmission à impédance contrôlée.

ATL

The characteristic impedance of the transmission line is the most important factor in the design


L'impédance instantanée ou caractéristique de la ligne de transmission est le facteur le plus important qui influe sur la qualité du signal. Si l'impédance entre les intervalles de propagation des signaux adjacents reste constante pendant la propagation du signal, le signal peut se déplacer très facilement vers l'avant et la situation devient très simple. S'il y a des différences entre les intervalles de propagation des signaux adjacents ou si l'impédance change, une partie de l'énergie du signal est réfléchie en arrière et la continuité de la transmission du signal est compromise.


Afin d'assurer une qualité optimale du signal, l'objectif de la conception de l'interconnexion du signal est de s'assurer que l'impédance observée par le signal pendant la transmission est aussi constante que possible. Il s'agit principalement de maintenir l'impédance caractéristique constante de la ligne de transmission. Par conséquent, la conception et la fabrication de PCB à impédance contrôlée deviennent de plus en plus importantes. En ce qui concerne toute autre technique de conception, telle que la réduction de la longueur des doigts, l'appariement des extrémités, les connexions daisy chain ou branchement, Attendez.., il s'agit de s'assurer que le signal peut voir une impédance instantanée constante.


Calcul de l'impédance caractéristique


Du modèle simple ci - dessus, Nous pouvons déduire la valeur de l'impédance caractéristique, that is, Valeur d'impédance instantanée observée pendant la transmission du signal. L'impédance Z observée par le signal à chaque intervalle de propagation correspond à la définition de base de l'impédance

Z = V / I

The voltage V here refers to the signal voltage added to the transmission line, Le courant I est la charge totale obtenue à partir de la batterie à chaque intervalle de temps, so

I = Q / t

La charge qui s'écoule dans la ligne de transmission (la charge provient en fin de compte de la source du signal) est utilisée pour charger la capacité ´ C formée entre la ligne de signal nouvellement ajoutée et la trajectoire de retour pendant la propagation du signal à la tension V, de sorte que

δq = v δc

We can relate the capacitance caused by the signal traveling a certain distance during the propagation process with the capacitance value CL per unit length of the transmission line and the speed U of the signal propagating on the transmission line. En même temps, the distance the signal travels is the speed U multiplied by the time interval δt. Alors...

Îc = Cl Ît

En combinant toutes les équations ci - dessus, nous pouvons obtenir l'impédance instantanée:

Z = V / I = V / (Q / t) = V / (V / (C / t) = V / (V / C / t) = V / (V / C / t / t) = 1 / (clu)


On peut voir que l'impédance instantanée est reliée à la capacité par Unit é de longueur de ligne de transmission et à la vitesse de transmission du signal. Cela peut également être défini artificiellement comme l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Afin de distinguer l'impédance caractéristique de l'impédance réelle Z, un indice spécial 0 a été ajouté à l'impédance caractéristique. L'impédance caractéristique de la ligne de transmission du signal a été calculée comme suit:

Z0 = 1 / (CL u)

Si la capacité par Unit é de longueur de la ligne de transmission et la vitesse de propagation du signal sur la ligne de transmission restent inchangées, then the transmission line has a constant characteristic impedance within its length. Cette ligne de transmission est appelée ligne de transmission à impédance contrôlée.


Il ressort de la brève description ci - dessus que certaines connaissances intuitives sur les condensateurs peuvent être associées à des connaissances intuitives nouvellement découvertes sur l'impédance caractéristique. En d'autres termes, si le câblage du signal dans le PCB est élargi, la capacité par Unit é de longueur de la ligne de transmission augmentera et l'impédance caractéristique de la ligne de transmission diminuera.


Sujet intéressant


Some confusing statements about the characteristic impedance of transmission lines can often be heard. Sur la base de l'analyse ci - dessus, after connecting the signal source to the transmission line, Vous devriez être en mesure de voir une valeur spécifique de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, for example, 50 ©. However, Si vous connectez un ohmmètre au même câble rg58 de 3 pieds de long, L'impédance mesurée est infinie.


La réponse à cette question est que les valeurs d'impédance vues de l'avant de n'importe quelle ligne de transmission changent avec le temps. L'impédance de surtension du câble ou l'impédance caractéristique du câble peuvent être mesurées si le temps de mesure de l'impédance du câble est suffisamment court pour correspondre au temps pendant lequel le signal se déplace d'avant en arrière dans le câble. Cependant, si vous attendez assez longtemps, une partie de l'énergie sera réfléchie et détectée par l'instrument de mesure. À ce stade, un changement d'impédance peut être détecté. En général, dans ce processus, l'impédance change d'avant en arrière jusqu'à la valeur d'impédance. L'état stable est atteint: si l'extrémité du câble est ouverte, la valeur d'impédance finale est infinie, si l'extrémité du câble est court - circuitée, la valeur d'impédance finale est nulle.


Pour les câbles rg58 de 3 pieds de long, le processus de mesure de l'impédance doit être effectué à des intervalles inférieurs à 3 NS. C'est ce que fera le réflecteur de Domaine temporel (TDR). Le TDR peut mesurer l'impédance dynamique de la ligne de transmission. Si la mesure de l'impédance d'un câble rg58 de 3 pieds nécessite un intervalle de temps d'une seconde et que le signal est réfléchi des millions de fois d'avant en arrière pendant cet intervalle de temps, vous pourriez obtenir une valeur d'impédance complètement différente de celle d'un grand changement d'impédance, et le résultat final est infini, puisque les bornes du câble sont ouvertes.