Проблема характеристического импеданса технологии печатных плат в высокоскоростном проектировании

Проблема характеристического импеданса технологии печатных плат в высокоскоростном проектировании

В высокоскоростном проектировании проблема характеристического импеданса технологии печатных плат и схем с регулируемым импедансом озадачила многих китайских инженеров. В этой статье основные свойства, методы расчета и измерения характеристического импеданса представлены простым и интуитивно понятным способом.

В высокоскоростном проектировании характеристического импеданса  печатных плат и схем с регулируемым импедансом является одной из наиболее важных и распространенных проблем. Линия передачи состоит из двух проводников определенной длины, один для передачи сигналов, а другой для их приема (вспомните понятие «контур» вместо «земля»). В многослойной плате каждая линия является составной частью линии передачи, а соседняя опорная плоскость служит второй линией или контуром. Ключом к тому, чтобы линия была «хорошо работающей» линией передачи, является поддержание постоянного характеристического импеданса на протяжении всей линии.

Ключ к тому, чтобы печатная плата стала «платой с регулируемым импедансом», заключается в том, чтобы волновое сопротивление всех цепей соответствовало заданному значению, обычно от 25 до 70 Ом. В многослойных печатных платах ключом к хорошей производительности линии передачи является поддержание постоянного волнового сопротивления по всей линии.

Но что такое характеристический импеданс? Самый простой способ понять характеристику импеданса — посмотреть, на что попадает сигнал при прохождении. При движении по линии передачи с таким же поперечным сечением это напоминает микроволновую передачу, показанную на рисунке 1. Предположим, что к линии передачи добавляется ступенчатая волна напряжения в 1 вольт. Например, если 1-вольтовая батарея подключена к передней части линии передачи (которая находится между линией передачи и контуром), после подключения сигнал волны напряжения распространяется по линии со скоростью света. Обычно он движется со скоростью около 6 дюймов в наносекунду. Конечно, сигнал — это действительно разность напряжений между передающей линией и контуром, которую можно измерить из любой точки передающей линии и точки контакта с контуром. На рис. 2 представлена схема передачи сигнала напряжения.

Подход Zen состоит в том, чтобы «генерировать сигнал», а затем распространять его по этой линии передачи со скоростью около 6 дюймов в наносекунду. Первые 0,01 наносекунды продвигаются на 0,06 дюйма, когда передающая линия имеет избыточный положительный заряд, а петля имеет избыточный отрицательный заряд. Именно эта разница в заряде поддерживает разницу в 1 вольт между двумя проводниками, которые, в свою очередь, образуют конденсатор.

В следующие 0,01 наносекунды напряжение 0,06-дюймовой линии передачи изменяется от 0 до 1 вольта, что должно добавить некоторый положительный заряд к передающей линии и некоторый отрицательный заряд к принимающей линии. На каждые пройденные 0,06 дюйма необходимо добавить больше положительного заряда в передающую линию и больше отрицательного заряда в петлю. Каждую 0,01 наносекунды должен заряжаться еще один участок линии передачи, и сигнал начинает двигаться по этому участку. Заряд поступает от батареи в передней части линии передачи, и по мере ее движения по линии она заряжает непрерывную часть линии передачи, создавая таким образом разницу в напряжении в один вольт между передающей линией и контуром. На каждые 0,01 наносекунды от батареи поступает некоторый заряд (±Q), а постоянный заряд (±Q), вытекающий из батареи в течение постоянного интервала времени (±t), представляет собой постоянный ток. Отрицательный ток, втекающий в контур, фактически равен положительному току, вытекающему из него, и прямо перед сигнальной волной переменный ток проходит через конденсатор, образованный верхней и нижней линиями, завершая цикл.

Что касается батареи, то непрерывный сегмент линии длиной 0,06 дюйма заряжается каждые 0,01 наносекунды по мере прохождения сигнала по линии. Когда постоянный ток получается от источника питания, линия передачи выглядит как полное сопротивление и имеет постоянное значение полного сопротивления, которое можно назвать «импедансным сопротивлением» линии передачи.

Точно так же, когда сигнал распространяется по линии, какой ток увеличит напряжение этого шага до 1 вольта в течение 0,01 нс перед следующим шагом? Это приводит нас к понятию мгновенного импеданса.

С точки зрения клетки, если сигнал распространяется с постоянной скоростью по линии передачи и линия передачи имеет одинаковое поперечное сечение, для каждого шага вперед в 0,01 наносекунды требуется одинаковое количество заряда для создания того же напряжения сигнала. При продвижении по этой линии создается такое же мгновенное сопротивление, которое трактуется как свойство линии передачи, известное как характеристическое сопротивление. Линия передачи может считаться линией с регулируемым импедансом, если характеристический импеданс сигнала одинаков на каждом этапе процесса передачи.

Мгновенный импеданс, или характеристический импеданс, очень важен для качества передачи сигнала. В процессе передачи, если импеданс следующего шага равен импедансу предыдущего шага, работа будет проходить гладко, но если импеданс изменится, возникнут некоторые проблемы.

Для достижения наилучшего качества сигнала целью конструкции внутреннего соединения является поддержание максимально стабильного импеданса в процессе передачи сигнала. Во-первых, характеристическое сопротивление линии передачи должно поддерживаться стабильным. Поэтому производство плат с регулируемым импедансом становится все более и более важным. Кроме того, другие методы, такие как минимизация остаточной длины линии, удаление клемм и использование всей линии, также используются для поддержания стабильности мгновенного импеданса при передаче сигнала.