Impedanz von Übertragungsleitungen: Die sechs wichtigen Werte

Beim Durchsehen der verschiedenen Impedanzwerte von Übertragungsleitungen stechen die charakteristische Impedanz und die differentielle Impedanz in der Regel als die zwei wichtigen Werte hervor, da diese typischerweise in Signalisierungsstandards angegeben sind. Es gibt jedoch wirklich sechs Impedanzwerte von Übertragungsleitungen, die beim PCB-Design wichtig sind. Manchmal sind es sieben, abhängig davon, welche Lehrbücher oder technischen Artikel Sie lesen.

Gleichungen für die charakteristische Impedanz können leicht in einer Reihe von Artikeln und Lehrbüchern gefunden werden, aber die anderen gängigen Impedanzwerte von Übertragungsleitungen sind schwieriger zu berechnen. Der Grund für diese Schwierigkeit liegt in der Anordnung mehrerer Übertragungsleitungen und der Stärke der Kopplung zwischen ihnen. Der andere typische Impedanzwert ist die Eingangsimpedanz, die von der Länge der Leitung und jeglicher Impedanzfehlanpassung abhängt.

Impedanzwerte von Übertragungsleitungen

Hier sind die wichtigen Impedanzwerte von Übertragungsleitungen, die als Teil des PCB-Designs und Routings verstanden werden sollten.

Charakteristische Impedanz

Wenn Sie den Begriff „Impedanz von Übertragungsleitungen“ googeln, ist die Definition der charakteristischen Impedanz das wahrscheinlichste Ergebnis, das Sie auf der ersten Seite der Suchergebnisse sehen werden. Die meisten Designer sind wahrscheinlich mit der charakteristischen Impedanz vertraut, da sie innerhalb eines Lumped-Circuit-Modells definiert ist. Dieses Modell liefert die folgende beliebte Formel für die charakteristische Impedanz:

Bei ausreichend hoher Frequenz oder ausreichend geringen Verlusten wird die charakteristische Impedanz rein ohmsch und konvergiert auf den folgenden Wert:

Charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung im Hochfrequenzlimit.

Beachten Sie, dass der Skineffekt hier ignoriert wurde, was bis zu einer Bandbreite von ~1 GHz für digitale Signale anwendbar ist. Sie können die Werte von L und C aus der Ausbreitungsverzögerung und der charakteristischen Impedanz ableiten, indem Sie Standardformeln für verschiedene Leiterbahnengeometrien verwenden. Anschließend können Sie diese Schaltungswerte verwenden, um Ihre Leiterbahnbreite und Induktivität zu optimieren und transientes Klingeln zu minimieren.

Die charakteristische Impedanz wird manchmal als „Stoßimpedanz“ bezeichnet und steht im Zusammenhang mit dem Begriff „Stoßimpedanzbelastung“. Dieser Begriff wird oft von Energieanlageningenieuren verwendet, um die über eine Übertragungsleitung übertragene Leistung zu quantifizieren und die an einer Last gesehene Leistung zu beschreiben.

Even Mode und Odd Mode Impedanz

Zwei Übertragungsleitungen, die sich ausreichend nahe sind, erfahren kapazitive und induktive Kopplung. Diese Kopplung bestimmt normalerweise das Übersprechen, aber sie verändert auch die Impedanz, die von den Signalen auf jeder Leitung gesehen wird. Wenn gekoppelte Leitungen im Gleichtakt (gleiche Größe, gleiche Polarität) betrieben werden, ist die Gleichtaktimpedanz die Impedanz, die von einem Signal gesehen wird, das auf einer Übertragungsleitung im Paar reist. Eine ähnliche Definition gilt, wenn die Leitungen im Gegentakt (gleiche Größe, gleiche Polarität) betrieben werden:

Beachten Sie, dass die Impedanzwerte der Übertragungsleitungen im geraden und ungeraden Modus in Bezug auf Z-Parameter für ein Paar gekoppelter Übertragungsleitungen definiert sind:

Die Z-Matrix (auch Impedanzparameter genannt) kann leicht in S-Parameter umgewandelt werden. Sie kann auch auf mehrere gekoppelte Übertragungsleitungen mit Gleichtakt- oder Gegentaktansteuerung verallgemeinert werden. Schauen Sie sich dieses PDF für die Gleichungen an, die erforderlich sind, um Z-Parameter oder einen charakteristischen Impedanzwert in S-Parameter umzuwandeln.

Gleichtakt- und Gegentaktimpedanz

Gemeinsame und differentielle Impedanzwerte stehen in Beziehung zu den geraden und ungeraden Modus-Impedanzwerten. Differentielle Impedanzwerte werden normalerweise für die Impedanzanpassung von differenziellen Paaren spezifiziert, anstatt für die ungerade Modus-Impedanz. Die Impedanz des differentiellen Paares hängt von der charakteristischen Impedanz und dem Abstand zwischen jedem Ende des differentiellen Paares ab. Das Gleiche gilt für die gemeinsame Modus-Impedanz, außer dass die gemeinsame Modus-Impedanz unter gemeinsamer Modusansteuerung entsteht.

Physikalisch ist die differentielle Impedanz die Impedanz, die zwischen zwei gekoppelten Übertragungsleitungen gemessen wird, wenn das Paar im differentiellen Modus betrieben wird. Ähnlich ist die gemeinsame Modus-Impedanz die Impedanz, die zwischen zwei gekoppelten Übertragungsleitungen gemessen wird, wenn das Paar im gemeinsamen Modus betrieben wird.

Eingangsimpedanz

Der Wert dieser Übertragungsleitungs-Impedanz ist wichtig für die Impedanzanpassung und kann verwendet werden, um zu quantifizieren, wann eine Übertragungsleitung die kritische Länge überschritten hat; werfen Sie einen Blick auf den verlinkten Artikel, um zu sehen, wie Sie eine zulässige Impedanzabweichung quantifizieren können. Ohne alles in diesem Artikel zu wiederholen, hängt die Eingangsimpedanz von der charakteristischen Impedanz, dem Ausbreitungskonstanten, der Lastimpedanz und der Länge der Übertragungsleitung ab:

Integrierte Übertragungsleitungs-Impedanzrechner

Mehrere Gleichungen werden hier präsentiert, und diese Gleichungen beschreiben ideale Situationen, die die komplexe Geometrie einer echten Leiterplatte nicht berücksichtigen. Dennoch sind sie ein guter Ausgangspunkt, wenn es um das Design von Übertragungsleitungen geht. Schaltungsmodelle können verwendet werden, um die Kopplung zwischen Leitungen in Bezug auf gegenseitige Kapazität und Induktivität zu approximieren, die dann verwendet werden können, um gerade/ungerade und gemeinsame/differentielle Impedanzwerte zu bestimmen.

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