Impedenza della Linea di Trasmissione: I Sei Valori Importanti

Esaminando i vari valori di impedenza delle linee di trasmissione, l'impedenza caratteristica e l'impedenza differenziale spiccano generalmente come i due valori importanti poiché sono tipicamente specificati negli standard di segnalazione. Tuttavia, ci sono realmente sei valori di impedenza delle linee di trasmissione che sono importanti nella progettazione dei PCB. A volte ce ne sono sette, a seconda di quali libri di testo o articoli tecnici si leggono.

Le equazioni dell'impedenza caratteristica possono essere facilmente trovate in numerosi articoli e libri di testo, ma gli altri comuni valori di impedenza delle linee di trasmissione sono più difficili da calcolare. La ragione di questa difficoltà risiede nell'arrangiamento di molteplici linee di trasmissione e nella forza di accoppiamento tra di esse. L'altro valore tipico di impedenza è l'impedenza di ingresso, che dipende dalla lunghezza della linea e da qualsiasi disadattamento di impedenza.

Valori di Impedenza delle Linee di Trasmissione

Ecco i valori di impedenza delle linee di trasmissione importanti da comprendere come parte della progettazione e del routing dei PCB.

Impedenza Caratteristica

Se si cerca su Google il termine "impedenza delle linee di trasmissione", la definizione di impedenza caratteristica è il risultato più probabile che vedrete sulla prima pagina dei risultati di ricerca. La maggior parte dei progettisti è probabilmente familiare con l'impedenza caratteristica poiché è definita all'interno di un modello di circuito concentrato. Questo modello restituisce la seguente formula popolare per l'impedenza caratteristica:

A frequenze sufficientemente alte o con perdite sufficientemente basse, l'impedenza caratteristica diventa puramente resistiva e converge sul seguente valore:

Impedenza caratteristica di una linea di trasmissione nel limite di alta frequenza.

Si noti che l'effetto skin effect è stato ignorato qui, il quale è applicabile fino a una larghezza di banda di ~1 GHz per i segnali digitali. È possibile derivare i valori di L e C dal ritardo di propagazione e dall'impedenza caratteristica utilizzando le formule standard per diverse geometrie delle tracce. Si possono quindi utilizzare questi valori di circuito per ottimizzare la larghezza della traccia e l'induttanza e minimizzare il suono transitorio.

L'impedenza caratteristica è talvolta chiamata “impedenza di onda” ed è correlata al termine “carico di impedenza di onda”. Questo termine è spesso usato dagli ingegneri dei sistemi di potenza per quantificare la potenza trasferita attraverso una linea di trasmissione e vista su un carico.

Impedenza in Modo Pari e Impedenza in Modo Dispari

Due linee di trasmissione che sono sufficientemente vicine tra loro sperimentano un accoppiamento capacitivo e induttivo. Questo accoppiamento è normalmente ciò che determina il crosstalk, ma modifica anche l'impedenza vista dai segnali su ciascuna linea. Quando le linee accoppiate sono pilotate in modo comune (stessa grandezza, stessa polarità), l'impedenza in modo pari è l'impedenza vista da un segnale che viaggia su una linea di trasmissione della coppia. Una definizione simile si applica quando le linee sono pilotate in modo differenziale (stessa grandezza, stessa polarità):

Si noti che i valori dell'impedenza della linea di trasmissione in modo pari e dispari sono definiti in termini di parametri Z per una coppia di linee di trasmissione accoppiate:

La matrice Z (chiamata anche parametri di impedenza) può essere facilmente convertita in parametri S. Può anche essere generalizzata a più linee di trasmissione accoppiate con pilotaggio in modo comune o differenziale. Dai un'occhiata a questo PDF per le equazioni necessarie a convertire i parametri Z o un valore di impedenza caratteristica in parametri S.

Impedenza in Modo Comune e Differenziale

I valori di impedenza in modo comune e differenziale sono correlati ai valori di impedenza in modo pari e dispari. I valori di impedenza differenziale sono normalmente specificati per l'adattamento di impedenza delle coppie differenziali, piuttosto che per l'impedenza in modo dispari. L'impedenza della coppia differenziale dipende dall'impedenza caratteristica e dalla distanza tra ciascuna estremità della coppia differenziale. Lo stesso vale per l'impedenza in modo comune, eccetto che l'impedenza in modo comune sorge sotto guida in modo comune.

Fisicamente, l'impedenza differenziale è l'impedenza misurata tra due linee di trasmissione accoppiate quando la coppia è guidata in modo differenziale. Allo stesso modo, l'impedenza in modo comune è l'impedenza misurata tra due linee di trasmissione accoppiate quando la coppia è guidata in modo comune.

Impedenza di Ingresso

Questo valore di impedenza della linea di trasmissione è importante nell'adattamento di impedenza e può essere utilizzato per quantificare quando una linea di trasmissione ha superato la lunghezza critica; dai un'occhiata all'articolo collegato per vedere come puoi quantificare un'accettabile disadattamento di impedenza. Senza ripetere tutto ciò che è presente in quell'articolo, l'impedenza di ingresso dipende dall'impedenza caratteristica, dalla costante di propagazione, dall'impedenza di carico e dalla lunghezza della linea di trasmissione:

Calcolatori Integrati dell'Impedenza della Linea di Trasmissione

Diverse equazioni sono presentate qui, e queste equazioni descrivono situazioni ideali che non tengono conto della geometria complessa di un PCB reale. Tuttavia, rappresentano comunque un buon punto di partenza quando si progettano linee di trasmissione. I modelli di circuito possono essere utilizzati per approssimare l'accoppiamento tra linee in termini di capacità e induttanza mutue, che possono poi essere utilizzati per determinare i valori di impedenza pari/dispari e comune/differenziale.

Quando hai bisogno di calcoli dell'impedenza delle linee di trasmissione estremamente accurati, devi utilizzare un percorso che disponga di un risolutore integrato di campi elettromagnetici. Questo ti fornisce risultati di impedenza molto accurati con PCB reali, così come il comportamento del segnale sui bordi di salita e discesa. Questo tiene conto in modo efficace delle parassiticità complesse che non possono essere incluse nei modelli di circuito, e permette a un progettista di tenere conto delle geometrie di accordatura della lunghezza lungo le lunghezze delle linee di trasmissione accoppiate.

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