Calcolatori del ritardo della linea di trasmissione nel design dei PCB

Le linee di trasmissione sono una di quelle cose ingannevolmente complesse che rendono possibile la vita moderna. Quello che sembra un semplice cavo metallico è, in realtà, un sistema ingegnerizzato con precisione. Le tracce sui PCB non sono diverse, e sono come i vasi sanguigni che alimentano i tuoi dispositivi elettronici.

Allora, cos'è esattamente una linea di trasmissione? Questo termine è stato inizialmente adottato per creare un'analogia tra le tracce su un PCB e le linee elettriche civili. Il termine "linea di trasmissione" tende ad essere usato senza molto contesto. Non tutte le tracce su un PCB sono linee di trasmissione, e le regole di progettazione per una linea di trasmissione diventano importanti in alcuni casi.

Le Mie Tracce Sono Linee di Trasmissione?

Il termine "linea di trasmissione" si riferisce al comportamento di una traccia su un PCB piuttosto che alla sua costruzione. Una data traccia può comportarsi come una linea di trasmissione in alcune condizioni mentre si comporta come un semplice conduttore in altre condizioni.

La risposta se le tue tracce agiscono come linee di trasmissione dipende dalla quantità di tempo che impiega un segnale a propagarsi lungo la traccia. Questo tempo è stato definito come ritardo di linea, ritardo di propagazione, o ritardo di trasmissione, e tutti questi termini vengono usati in modo interscambiabile.

Se il ritardo di linea nella tua traccia è molto più lungo del tempo di salita di un segnale digitale che viaggia sulla traccia, allora la traccia si comporterà come una linea di trasmissione. Con i segnali analogici, il tempo di salita è considerato un quarto del periodo di oscillazione del segnale. In entrambi i casi, le tracce e i componenti ad ogni estremità devono essere adattati in impedenza per prevenire vari problemi di integrità del segnale.

Linee di trasmissione elettriche

Calcolatori online per linee di trasmissione

Se vuoi un modo rapido e semplice per progettare le tue tracce affinché abbiano un valore di impedenza specifico, puoi utilizzare un calcolatore online per linee di trasmissione. Questo strumento può calcolare diversi parametri critici come la lunghezza unitaria che descrive le tue tracce per diverse configurazioni, incluse microstrisce, microstrisce incorporate e tracce stripline.

Una cosa che inizierai a notare è che la maggior parte dei calcolatori online per linee di trasmissione ignora completamente la dipendenza dalla frequenza dell'impedenza della linea di trasmissione. In realtà, c'è un effetto dovuto alla frequenza, e l'effetto è più pronunciato a seconda della resistenza, capacità, induttanza e conduttanza nel sistema.

L'impedenza incontrata dai segnali a bassa frequenza tende ad essere più sensibile ai cambiamenti di frequenza rispetto all'impedenza alle alte frequenze. Alcuni calcolatori online per linee di trasmissione non permettono sempre di esplorare l'impedenza a basse frequenze e generalmente assumono che si lavori ad alta frequenza.

Alle frequenze molto alte, come quelle utilizzate nelle applicazioni RF, questa dipendenza dalla frequenza si satura fino a un valore costante. Di conseguenza, la maggior parte dei calcolatori online assume che si lavori a una frequenza abbastanza alta da poter ignorare questa dipendenza.

Un risultato importante ottenuto da un calcolatore di linee di trasmissione è la costante dielettrica effettiva. Questo parametro dipende dalle dimensioni della traccia, così come dal contrasto tra le costanti dielettriche del conduttore e del substrato. Questo parametro gioca lo stesso ruolo di un indice di rifrazione effettivo in fibra ottica in quanto determina quanto velocemente un segnale si propaga lungo la linea di trasmissione.

Qui è dove i calcolatori online per linee di trasmissione sono utili. Una volta ottenuta la tua costante dielettrica effettiva, puoi usarla per calcolare il ritardo della linea nelle tue tracce. Dopo aver calcolato il ritardo della linea e confrontandolo con il tempo di salita del tuo segnale, avrai la tua risposta su se le tue tracce si stanno comportando effettivamente come linee di trasmissione.

Progettazione elettronica con un calcolatore

Simulazioni SPICE e Linee di Trasmissione

I simulatori SPICE sono utili per esaminare i problemi di integrità del segnale nelle PCB, specialmente in applicazioni ad alta velocità, ad alta frequenza, HDI e a bassa corrente. Non tutte le simulazioni SPICE restituiranno direttamente il valore dell'impedenza delle tue linee di trasmissione; ti permetteranno di diagnosticare problemi di integrità del segnale che possono sorgere da un disadattamento di impedenza tra tracce e componenti. I pacchetti software di progettazione online e desktop ti danno accesso alle simulazioni SPICE.

Tutte le PCB hanno una certa capacità e induttanza parassite a causa della separazione degli elementi metallici dal dielettrico del substrato. Quando si lavora con una simulazione SPICE, gli effetti dell'impedenza parassita devono essere modellati aggiungendo condensatori e induttori in serie e in parallelo nel tuo modello di circuito equivalente.

Una tipica simulazione SPICE non include direttamente questo, e dovresti aggiungere induttori e condensatori in punti strategici per tenere conto della reattanza parassita. I simulatori SPICE più avanzati prendono direttamente in considerazione questo aspetto. La tua capacità e induttanza parassite possono essere calcolate direttamente dalla costante dielettrica del substrato della PCB e dalla disposizione dei conduttori sulla scheda.

L'output di un buon modello SPICE è fondamentale perché ti permette di visualizzare problemi come il rimbalzo di terra, il mismatch di segnale a causa del ritardo di propagazione, e persino l'accoppiamento di rumore. Diagnosticare questi problemi di segnale prima della produzione può aiutarti a evitare di ordinare una serie di schede difettose.

Questo output è generalmente visualizzato su un grafico di tensione (o corrente) rispetto al tempo. Questo tipo di output ti permette di confrontare le intensità dei segnali di input e output, il ritardo di propagazione e l'integrità del segnale. Quando si lavora nel dominio della frequenza, è possibile vedere la funzione di trasferimento che definisce la relazione tra i segnali di input e output.

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