Przewodnik projektowania PCB do kontrolowanej impedancji podczas trasowania PCB

W czerwcu 1831 roku sir James Clark Ross odkrył Północny Biegun Magnetyczny na Półwyspie Boothia w północnej Kanadzie. Chociaż termin "odkrycie" wydaje się wskazywać, że Północny Biegun Magnetyczny jest statyczny, Północny i Południowy Biegun Magnetyczny w rzeczywistości przemieszczają się nieustannie. Pole magnetyczne Ziemi zmienia się w czasie i w miarę tych zmian, pozycje biegunów również się przesuwają. Biorąc pod uwagę tempo przemieszczania się na poziomie 55 km na rok, możemy nadać nowe znaczenie terminowi "polar express".

Pracując jednak nad przepływem sygnałów na płytce PCB, możesz nie mieć czasu, pieniędzy ani energii, aby martwić się inwestycją w podróż z jednego końca polarnego na drugi. Trasowanie ścieżek i szerokość ścieżek są ważne do zapamiętania; jednakże, ścieżki na płaszczyźnie masy twojej płytki obwodu mogą utrudniać śledzenie różnicowej impedancji. Dowiedzenie się więcej o tym, jak najlepiej wykorzystać oprogramowanie do projektowania PCB dla ścieżek i kontrolowanego trasowania impedancji może pomóc.

Eksploracja Złożonej Impedancji

W kontekście impedancji, pojęcie "polarności" wiąże się z innym rodzajem eksploracji. Złożona impedancja jest ważnym narzędziem do pracy z wieloskładnikowymi obwodami prądu przemiennego (AC). Zamiast używać sinusów i cosinusów do reprezentowania napięć i prądów w tych obwodach, możemy wyrazić impedancję jako złożony wykładnik lub . Impedancja działa jako stosunek napięcia do prądu dla pojedynczego złożonego wykładnika przy określonej częstotliwości.

Stąd możemy wyrazić impedancję poszczególnych elementów obwodu jako czyste lub rzeczywiste liczby urojone. Z tym, czysto urojona reakcyjna impedancja idealnego induktora wynosi:

Tymczasem czysto urojona reakcyjna impedancja idealnego kondensatora wygląda następująco:

Przejście na czyste lub urojone liczby wymaga użycia płaszczyzny zespolonej z oporem wzdłuż osi rzeczywistej. Tutaj, wartości reaktancji kondensatora i induktora stają się liczbami urojonymi. Urojona impedancja dostarcza reakcyjnego składnika impedancji i pozwala nam ocenić zmiany fazy, które występują z powodu reaktancji.

W przypadku szeregowych kombinacji komponentów RL i RC, możemy dodawać wartości komponentów jako składniki wektora. Jako liczby zespolone, te wartości mają te same jednostki co opór.

Forma polarna złożonej impedancji

Postać biegunowa wyrażeń złożonych dla obwodów RL i RC przedstawia się jako dwuwymiarowy system współrzędnych, który ilustruje związek między amplitudą a fazą napięcia i prądu. Każdy punkt na płaszczyźnie jest w danej odległości od punktu odniesienia i pod danym kątem względem kierunku odniesienia. Punkt odniesienia pełni funkcję bieguna, natomiast promień wychodzący z bieguna w kierunku odniesienia odnosi się do osi biegunowej. Odległość od bieguna równa się współrzędnej radialnej lub promieniowi, podczas gdy kąt reprezentuje kąt biegunowy.

W postaci biegunowej, wielkość zespolonej impedancji równa się stosunkowi amplitudy napięcia do amplitudy prądu. Faza zespolonej impedancji równa się przesunięciu fazy prądu przed napięciem. W formie równania, impedancja przedstawia się jako:

Wielkość reprezentuje stosunek amplitudy różnicy napięć do amplitudy prądu. Argument Ɵ daje różnicę fazową między napięciem a prądem, podczas gdy reprezentuje jednostkę urojoną. Użycie postaci biegunowej dla zespolonej impedancji upraszcza mnożenie i dzielenie wielkości impedancji.

Umiejętność planowania ścieżek dla kontrolowanej impedancji trasowania PCB jest konieczna

Kontrola Impedancji PCB

Nasza bardzo krótka dyskusja na temat złożonej impedancji i jej postaci biegunowej podkreśla zarówno matematyczną złożoność związaną z obliczaniem impedancji, jak i trudne problemy, z którymi spotykamy się przy kontroli impedancji w projektowaniu PCB. W przypadku wielowarstwowych obwodów wysokich częstotliwości składających się z licznych przelotek i rozgałęzień działających jako linie transmisyjne, problem staje się jeszcze trudniejszy z powodu potencjalnego odbicia energii między źródłem a obciążeniem. Niezależnie od typu lub złożoności obwodu, maksymalny transfer sygnału następuje tylko wtedy, gdy wszystkie impedancje wzdłuż ścieżki sygnału są dopasowane.

Stosowanie najlepszych praktyk projektowych na płytce obwodu może sprawić, że ścieżki będą prowadzone prawidłowo, a impedancja może być odpowiednio dopasowana. Aby dopasować impedancję wyjściową źródła, impedancję ścieżki oraz impedancję wejściową obciążenia:

• Dopasuj impedancję komponentów
• Mierz charakterystyki ścieżki, takie jak długość, szerokość i grubość
• Użyj mikropasków, aby osiągnąć pożądaną impedancję

Kontrolowane trasowanie impedancji i Altium Designer^®

Altium Designer pozwala analizować integralność sygnału Twojego projektu PCB już na etapie przechwytywania schematu. Możesz również zdefiniować sieci zasilające i użyć menu Narzędzia, aby zapewnić średnie impedancje ścieżek i długości trasowania. Altium Designer oferuje proste rozwiązanie do dopasowywania impedancji komponentów w Twoim projekcie. Możesz również analizować odbicia na wybranych sieciach i eksperymentować z różnymi wartościami terminatorów.

Aby określić impedancję trasowania, możesz użyć jednego z dwóch wzorów znalezionych w Altium Designer. Pierwszy pozwala określić charakterystyczną impedancję mikropaska, podczas gdy drugi dostarcza wzór na charakterystyczną impedancję linii paskowej. Oba równania pokazują grubości dielektryków, szerokość trasowania i stałą dielektryczną materiału dielektrycznego.

Zaufaj swojemu oprogramowaniu do projektowania PCB, aby pomóc efektywnie i skutecznie mapować Twoje ścieżki

Altium Designer jeszcze bardziej upraszcza to zadanie dzięki opcji Szerokość Charakterystycznej Impedancji. Dzięki tej opcji możesz ustalić regułę projektowania Szerokości Trasowania w Edytorze Reguł i Ograniczeń PCB, a następnie wprowadzić wymagane impedancje. Opcja Szerokości Charakterystycznej Impedancji automatycznie przekłada wymagane impedancje na szerokości dla każdej warstwy sygnałowej. Funkcja trasowania impedancji w Altium Designer jest kontrolowana interaktywnie, automatycznie dostosowuje szerokość ścieżki do wymaganej impedancji.

Aby dowiedzieć się więcej o trasowaniu z kontrolowaną impedancją i dopasowaniu impedancji komponentów dla Twojego projektu PCB wysokiej prędkości, porozmawiaj z ekspertem w Altium Designer.