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Tecnologia PCB
La discontinuità dell'impedenza PCB provoca la riflessione del segnale
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La discontinuità dell'impedenza PCB provoca la riflessione del segnale

La discontinuità dell'impedenza PCB provoca la riflessione del segnale

2021-11-11
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Author:Downs

This is an in-depth article on a very important topic that PCB designers should master. La prima cosa da ricordare è che a causa di impedenza discontinua, signal reflections will occur in the PCB transmission line.

La linea di trasmissione deve avere impedenza caratteristica uniforme. Qualsiasi cambiamento o discontinuità nell'impedenza causerà riflessione e distorsione del segnale.

Questo fenomeno vale anche per Traccia PCBs e linee di trasmissione. La ragione è che la lunghezza d'onda fisica del segnale ad alta frequenza è molto breve. Pertanto, Traccia PCBs presentano le stesse caratteristiche. The higher the frequency, minore è la lunghezza d'onda. You must even treat shorter traces like transmission lines.

Le discontinuità della traiettoria del segnale o discontinuità non uniformi formano discontinuità dell'integrità del segnale. In order to avoid signal distortion at the source and target, devi corrispondere al Traccia PCB impedance to the source. Quindi è necessario caricare impedenze alla sorgente e alle estremità del bersaglio. This presents a considerable challenge, che richiede un'attenta progettazione PCB per mitigare gli effetti dell'attenuazione del segnale causata da discontinuità di impedenza. The greater the discontinuity of the characteristic impedance, maggiore è la riflessione del segnale. This means that the signal distortion is also higher. Therefore, try to keep the impedance discontinuity as small as possible. In termini di ampiezza e tempo. Read: Why controlled impedance is really important.

Impedance discontinuity affects signal integrity

scheda pcb

In theory, the digital signal is a square wave pulse that switches in a short period of time. Naturalmente, the short signal rise times required by high-frequency digital circuits will result in extremely high frequencies associated with fast signal rise times. Infatti, these frequencies will be an order of magnitude higher than the clock frequency of the circuit. La larghezza dell'impulso dei circuiti digitali ad alta frequenza è più breve. Thereby a shorter rise time. Un tempo di aumento del segnale molto breve significa che il segnale digitale contiene frequenze molto alte. Therefore, I segnali digitali ad alta frequenza devono seguire le regole di integrità del segnale relative ai segnali ad alta frequenza.

Pertanto, eventuali cambiamenti nell'impedenza delle tracce PCB causeranno riflessi del segnale. Questi possono causare squillo e distorsione del segnale. Il risultato di ciò è che alle alte frequenze di commutazione, la discontinuità di impedenza provoca gravi distorsioni al segnale digitale e possono verificarsi errori di campionamento del segnale. È possibile caratterizzare la linea di trasmissione formata da tracce PCB con i seguenti parametri: resistenza, conduttanza e resistenza alla traccia. Leggere la differenza tra linea microstrip e stripline in PCB.

Typical impedance discontinuity

L'impedenza caratteristica della linea è la radice quadrata dell'induttanza divisa per la capacità. Questa è un'ipotesi ragionevole per i PCB perché la resistenza della traccia e la conduttanza alle alte frequenze del segnale sono trascurabili rispetto alla sua induttanza e capacità.

La discontinuità di impedenza è qualsiasi fattore che influisce sul rapporto tra induttanza di traccia e capacità. Here are some typical examples:

Cambiamenti di impedenza nella linea: Se l'impedenza della linea cambia per qualsiasi motivo, come un cambiamento nella sezione trasversale in rame o un cambiamento nel percorso di routing, l'induttanza reciproca cambierà e si verificherà discontinuità di impedenza.

Fili nella linea: Anche se può essere necessario indirizzare il segnale a più dispositivi, the use of branches and line stubs can change the line impedance and cause discontinuities.

Divisione del segnale di ritorno: I segnali ad alta frequenza si propagano lungo il percorso con l'impedenza più bassa, che si trova direttamente sotto la traccia del segnale, di solito nel piano di terra. Qualsiasi caratteristica fisica della linea di ritorno o del piano di terra che costringe il segnale di ritorno a deviare da questo percorso causerà discontinuità.

Vias: Utilizzare vias per trasmettere segnali da uno strato del PCB a un altro. Although it is a basic feature of PCB design, la forma e le dimensioni dei vias cambieranno l'induttanza e la capacità della traccia, creating another discontinuity. Per saperne di più, read how to reduce parasitic capacitance in PCB layout.

Come limitare l'impatto della discontinuità di impedenza

La chiave per controllare gli effetti negativi della discontinuità di impedenza è trattare tutte le tracce del segnale PCB come linee di trasmissione. You should ensure that the characteristic impedance of all points on the signal path are the same.

Assicurati di seguire le seguenti linee guida:

Corrispondere impedenza della sorgente e impedenza di carico: Assicurarsi che l'impedenza della sorgente e l'impedenza di carico siano le stesse dell'impedenza della traccia. You can achieve this by using series or parallel resistors to achieve the correct impedance. Inoltre, you must terminate any open traces with resistors of the correct value.

Evitare ramificazioni: Se il segnale deve essere condiviso da più chip, collegare le linee in una catena margherita invece di utilizzare rami. In alternativa, un dispositivo buffer corrispondente può essere utilizzato per trasmettere il segnale al ramo.

Percorso di ritorno del segnale: Assicurarsi che il ritorno del segnale segua lo stesso percorso della linea del segnale. Se si utilizza un piano di terra, make sure that there is no interruption to the splitting of the return signal path. Assicurarsi che ci sia un piano solido che attraversa tutta la lunghezza sotto la traccia, and there are no cracks or cuts. Se non c'è un piano solido, use a thicker return trace, che dovrebbe coprire tre volte la lunghezza della traccia e l'altezza del dielettrico.

Via design: Disporre tracce ad alta frequenza su uno strato per quanto possibile. Se sono necessari i vias, si prega di utilizzare i micro vias invece dei vias tradizionali. Poiché i fori passanti hanno caratteristiche di capacità e induttanza significativamente diverse, minimizzano il loro uso sulle tracce del segnale. Se necessario, utilizzare micro vias con capacità e induttanza molto più piccole rispetto ai vias standard. I micro-fori aiutano anche a mantenere la lunghezza del gambo il più breve possibile. Un altro metodo è quello di utilizzare l'interconnessione ad alta densità o la tecnologia PCB HDI.

Impedance discontinuity and signal reflection

Il segnale su una linea di trasmissione uniforme incontrerà un'impedenza costante "Zc (V/I)" in tutte le posizioni della linea e il segnale sarà trasmesso lungo di essa secondo necessità. Tuttavia, se c'è una discontinuità di impedenza in qualsiasi punto, la propagazione del segnale sarà influenzata e si verificherà la riflessione del segnale, così come la luce si rifletterà quando incontra una discontinuità nel mezzo in cui si propaga.

Vari tipi di discontinuità di impedenza e loro possibili cause:

Poiché l'impedenza della linea di trasmissione dipende dalla geometria del conduttore e dalle caratteristiche del materiale PCB, qualsiasi cambiamento di queste caratteristiche causerà il cambiamento dell'impedenza. Alcuni esempi sono elencati qui:

At the source or destination/fine linea. The source impedance or receiver impedance is usually different from the impedance of the line.

The change in the line width or height (ie copper thickness) of the Materiale PCB between the signal line and the return path or the change in height and/o costante dielettrica.