Impédance de la ligne de transmission : Les six valeurs importantes

Lorsqu'on examine les différentes valeurs d'impédance des lignes de transmission, l'impédance caractéristique et l'impédance différentielle ressortent généralement comme les deux valeurs importantes car elles sont typiquement spécifiées dans les normes de signalisation. Cependant, il existe réellement six valeurs d'impédance de ligne de transmission qui sont importantes dans la conception de PCB. Parfois, il y en a sept, selon les manuels ou les articles techniques que vous lisez.

Les équations d'impédance caractéristique peuvent être facilement trouvées dans un certain nombre d'articles et de manuels, mais les autres valeurs d'impédance de ligne de transmission courantes sont plus difficiles à calculer. La raison de cette difficulté réside dans l'agencement de plusieurs lignes de transmission et la force du couplage entre elles. L'autre valeur d'impédance typique est l'impédance d'entrée, qui dépend de la longueur de la ligne et de tout désaccord d'impédance.

Valeurs d'Impédance de Ligne de Transmission

Voici les valeurs d'impédance de ligne de transmission importantes à comprendre dans le cadre de la conception et du routage de PCB.

Impédance Caractéristique

Si vous recherchez le terme "impédance de ligne de transmission" sur Google, la définition de l'impédance caractéristique est le résultat le plus probable que vous verrez sur la première page des résultats de recherche. La plupart des concepteurs sont probablement familiers avec l'impédance caractéristique telle qu'elle est définie dans un modèle de circuit concentré. Ce modèle renvoie la formule populaire suivante pour l'impédance caractéristique :

À une fréquence suffisamment élevée ou avec des pertes suffisamment faibles, l'impédance caractéristique devient purement résistive et converge vers la valeur suivante :

Impédance caractéristique d'une ligne de transmission à la limite haute fréquence.

Notez que l'effet pelliculaire a été ignoré ici, ce qui est applicable jusqu'à une bande passante d'environ 1 GHz pour les signaux numériques. Vous pouvez dériver les valeurs de L et C à partir du retard de propagation et de l'impédance caractéristique en utilisant les formules standards pour les différentes géométries de pistes. Vous pouvez ensuite utiliser ces valeurs de circuit pour optimiser la largeur de vos pistes et leur inductance et minimiser l'oscillation transitoire.

L'impédance caractéristique est parfois appelée “impédance de choc” et est liée au terme “charge d'impédance de choc”. Ce terme est souvent utilisé par les ingénieurs en systèmes électriques pour quantifier la puissance transférée à travers une ligne de transmission et vue à une charge.

Impédance en Mode Pair et Impair

Deux lignes de transmission qui sont suffisamment proches l'une de l'autre subissent un couplage capacitif et inductif. Ce couplage détermine normalement le diaphonie, mais il modifie également l'impédance vue par les signaux sur chaque ligne. Lorsque les lignes couplées sont pilotées en mode commun (même magnitude, même polarité), l'impédance en mode pair est l'impédance vue par un signal se déplaçant sur une ligne de transmission dans la paire. Une définition similaire s'applique lorsque les lignes sont pilotées en mode différentiel (même magnitude, même polarité) :

Notez que les valeurs d'impédance de ligne de transmission en mode pair et impair sont définies en termes de paramètres Z pour une paire de lignes de transmission couplées :

La matrice Z (également appelée paramètres d'impédance) peut être facilement convertie en paramètres S. Elle peut également être généralisée à plusieurs lignes de transmission couplées avec un pilotage en mode commun ou différentiel. Consultez ce PDF pour les équations nécessaires à convertir les paramètres Z ou une valeur d'impédance caractéristique en paramètres S.

Impédance en Mode Commun et Différentiel

Les valeurs d'impédance en mode commun et différentiel sont liées aux valeurs d'impédance en mode pair et impair. Les valeurs d'impédance différentielle sont normalement spécifiées pour l'adaptation d'impédance des paires différentielles, plutôt que pour l'impédance en mode impair. L'impédance d'une paire différentielle dépend de l'impédance caractéristique et de l'espacement entre chaque extrémité de la paire différentielle. Il en va de même pour l'impédance en mode commun, sauf que l'impédance en mode commun apparaît sous une commande en mode commun.

Physiquement, l'impédance différentielle est l'impédance mesurée entre deux lignes de transmission couplées lorsque la paire est commandée en mode différentiel. De manière similaire, l'impédance en mode commun est l'impédance mesurée entre deux lignes de transmission couplées lorsque la paire est commandée en mode commun.

Impédance d'Entrée

Cette valeur d'impédance de ligne de transmission est importante dans l'adaptation d'impédance et peut être utilisée pour quantifier quand une ligne de transmission a dépassé la longueur critique ; jetez un œil à l'article lié pour voir comment vous pouvez quantifier une inadéquation d'impédance permise. Sans répéter tout ce qui est dans cet article, l'impédance d'entrée dépend de l'impédance caractéristique, de la constante de propagation, de l'impédance de charge, et de la longueur de la ligne de transmission :

Calculatrices Intégrées d'Impédance de Ligne de Transmission

Plusieurs équations sont présentées ici, et ces équations décrivent des situations idéales qui ne tiennent pas compte de la géométrie complexe d'un PCB réel. Cependant, elles constituent toujours un bon point de départ lors de la conception de lignes de transmission. Les modèles de circuits peuvent être utilisés pour approximer le couplage entre les lignes en termes de capacité mutuelle et d'inductance, ce qui peut ensuite être utilisé pour déterminer les valeurs d'impédance paire/impair et commune/différentielle.

Lorsque vous avez besoin de calculs d'impédance de ligne de transmission extrêmement précis, vous devez utiliser une méthode qui intègre un solveur de champ électromagnétique. Cela vous donne des résultats d'impédance très précis avec de vrais PCBs, ainsi que le comportement du signal sur les bords montants et descendants. Cela prend bien en compte les parasitiques complexes qui ne peuvent pas être intégrés dans les modèles de circuits, et cela permet à un concepteur de prendre en compte les géométries d'ajustement de longueur le long des longueurs des lignes de transmission couplées.

Le gestionnaire de pile de couches et les outils de routage dans Altium Designer incluent un solveur de champ électromagnétique qui crée un profil d'impédance précis pour les géométries de pistes courantes. Cela rend le routage à impédance contrôlée rapide et facile, et cela vous donne une précision sub-mil lors de la conception de lignes de transmission. Vous pouvez maintenant télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en apprendre plus sur les meilleurs outils de mise en page, de simulation et de planification de production de l'industrie. Parlez à un expert Altium aujourd'hui pour en savoir plus.