Impedancia de la Línea de Transmisión: Los Seis Valores Importantes

Al revisar los diversos valores de impedancia de línea de transmisión, la impedancia característica y la impedancia diferencial generalmente se destacan como los dos valores importantes, ya que estos suelen estar especificados en los estándares de señalización. Sin embargo, realmente hay seis valores de impedancia de línea de transmisión que son importantes en el diseño de PCB. A veces hay siete, dependiendo de qué libros de texto o artículos técnicos leas.

Las ecuaciones de impedancia característica se pueden encontrar fácilmente en una serie de artículos y libros de texto, pero los otros valores comunes de impedancia de línea de transmisión son más difíciles de calcular. La razón de esta dificultad es que depende de la disposición de múltiples líneas de transmisión y la fuerza del acoplamiento entre ellas. El otro valor típico de impedancia es la impedancia de entrada, que depende de la longitud de la línea y cualquier desajuste de impedancia.

Valores de Impedancia de Línea de Transmisión

Aquí están los valores de impedancia de línea de transmisión importantes para entender como parte del diseño y enrutamiento de PCB.

Impedancia Característica

Si buscas en Google el término “impedancia de línea de transmisión”, la definición de impedancia característica es el resultado más probable que verás en la primera página de los resultados de búsqueda. La mayoría de los diseñadores probablemente están familiarizados con la impedancia característica, ya que se define dentro de un modelo de circuito concentrado. Este modelo devuelve la siguiente fórmula popular para la impedancia característica:

A una frecuencia suficientemente alta o con pérdidas suficientemente bajas, la impedancia característica se vuelve puramente resistiva y converge en el siguiente valor:

Impedancia característica de una línea de transmisión en el límite de alta frecuencia.

Tenga en cuenta que el efecto pelicular ha sido ignorado aquí, lo cual es aplicable hasta un ancho de banda de ~1 GHz para señales digitales. Puede derivar los valores de L y C a partir del retardo de propagación y la impedancia característica utilizando fórmulas estándar para diferentes geometrías de trazas. Luego puede usar estos valores de circuito para optimizar el ancho de su traza e inductancia y minimizar el sonido transitorio.

La impedancia característica a veces se llama “impedancia de oleada” y está relacionada con el término “carga de impedancia de oleada”. Este término es a menudo utilizado por ingenieros de sistemas de potencia para cuantificar la potencia transferida a través de una línea de transmisión y vista en una carga.

Impedancia de Modo Par e Impedancia de Modo Impar

Dos líneas de transmisión que están suficientemente cerca una de la otra experimentan acoplamiento capacitivo e inductivo. Este acoplamiento normalmente determina el diafonía, pero también modifica la impedancia vista por las señales en cada línea. Cuando las líneas acopladas son impulsadas en modo común (misma magnitud, misma polaridad), la impedancia en modo par es la impedancia vista por una señal que viaja en una línea de transmisión del par. Una definición similar se aplica cuando las líneas son impulsadas en modo diferencial (misma magnitud, misma polaridad):

Tenga en cuenta que los valores de impedancia de línea de transmisión en modo par e impar están definidos en términos de parámetros Z para un par de líneas de transmisión acopladas:

La matriz Z (también llamada parámetros de impedancia) puede convertirse fácilmente en parámetros S. También puede generalizarse a múltiples líneas de transmisión acopladas con conducción en modo común o diferencial. Eche un vistazo a este PDF para las ecuaciones requeridas para convertir parámetros Z o un valor de impedancia característica a parámetros S.

Impedancia en Modo Común y Diferencial

Los valores de impedancia en modo común y diferencial están relacionados con los valores de impedancia en modo par e impar. Los valores de impedancia diferencial normalmente se especifican para el emparejamiento de impedancias de pares diferenciales, en lugar de la impedancia en modo impar. La impedancia del par diferencial depende de la impedancia característica y del espaciado entre cada extremo del par diferencial. Lo mismo se aplica a la impedancia en modo común, excepto que la impedancia en modo común surge bajo conducción en modo común.

Físicamente, la impedancia diferencial es la impedancia medida entre dos líneas de transmisión acopladas cuando el par se conduce en modo diferencial. De manera similar, la impedancia en modo común es la impedancia medida entre dos líneas de transmisión acopladas cuando el par se conduce en modo común.

Impedancia de Entrada

Este valor de impedancia de la línea de transmisión es importante en el emparejamiento de impedancias y se puede usar para cuantificar cuando una línea de transmisión ha superado la longitud crítica; echa un vistazo al artículo vinculado para ver cómo puedes cuantificar un desajuste de impedancia permisible. Sin repetir todo lo que está en ese artículo, la impedancia de entrada depende de la impedancia característica, la constante de propagación, la impedancia de carga y la longitud de la línea de transmisión:

Calculadoras Integradas de Impedancia de Línea de Transmisión

Se presentan varias ecuaciones aquí, y estas ecuaciones describen situaciones ideales que no tienen en cuenta la geometría compleja de un PCB real. Sin embargo, siguen siendo un buen punto de partida cuando se diseñan líneas de transmisión. Los modelos de circuito se pueden utilizar para aproximar el acoplamiento entre líneas en términos de capacitancia y inductancia mutuas, lo que luego se puede utilizar para determinar los valores de impedancia par/impar y común/diferencial.

Cuando necesitas cálculos de impedancia de línea de transmisión extremadamente precisos, necesitas usar un enfoque que tenga un solucionador de campos electromagnéticos integrado. Esto te proporciona resultados de impedancia muy precisos con PCBs reales, así como el comportamiento de la señal en los bordes de subida y bajada. Esto tiene en cuenta de manera adecuada las parasitarias complejas que no pueden ser incluidas en los modelos de circuito, y permite a un diseñador tener en cuenta las geometrías de ajuste de longitud a lo largo de las longitudes de líneas de transmisión acopladas.

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