Kalkulatory opóźnień linii transmisyjnych w projektowaniu PCB

Linie transmisyjne to jedna z tych pozornie prostych rzeczy, które umożliwiają współczesne życie. To, co wydaje się być zwykłym metalowym kablem, jest w rzeczywistości precyzyjnie zaprojektowanym systemem. Ścieżki na PCB nie różnią się niczym, są jak naczynia krwionośne, które zasilają twoje urządzenia elektroniczne.

Więc czym jest linia transmisyjna? Ten termin został początkowo przyjęty, aby stworzyć analogię między ścieżkami na PCB a cywilnymi liniami energetycznymi. Termin „linia transmisyjna” często jest używany bez większego kontekstu. Nie wszystkie ścieżki na PCB są liniami transmisyjnymi, a zasady projektowania dla linii transmisyjnych stają się ważne w niektórych przypadkach.

Czy moje ścieżki to linie transmisyjne?

Termin „linia transmisyjna” odnosi się do zachowania ścieżki na PCB, a nie do jej konstrukcji. Dana ścieżka może zachowywać się jak linia transmisyjna w pewnych warunkach, podczas gdy w innych warunkach może zachowywać się jak prosty przewodnik.

Odpowiedź na pytanie, czy twoje ścieżki działają jak linie transmisyjne, zależy od czasu, jaki sygnał potrzebuje, aby przemieścić się wzdłuż ścieżki. Ten czas był określany jako opóźnienie linii, opóźnienie propagacji, lub opóźnienie transmisji, i wszystkie te terminy są używane zamiennie.

Jeśli opóźnienie linii w twoim śladzie jest znacznie dłuższe niż czas narastania cyfrowego sygnału przemieszczającego się po śladzie, wówczas ślad będzie działał jak linia transmisyjna. W przypadku sygnałów analogowych czas narastania przyjmuje się za jedną czwartą okresu oscylacji sygnału. W obu przypadkach, ślady i komponenty na każdym końcu muszą być dopasowane impedancyjnie, aby zapobiec różnym problemom z integralnością sygnału.

Elektryczne linie transmisyjne

Online kalkulatory linii transmisyjnych

Jeśli chcesz szybkiego i prostego sposobu na zaprojektowanie swoich śladów tak, aby miały określoną wartość impedancji, możesz użyć online kalkulatora linii transmisyjnej. To narzędzie może obliczyć kilka kluczowych parametrów, takich jak długość jednostkowa, które opisują twoje ślady dla różnych układów, w tym mikropaski, wbudowane mikropaski i ślady stripline.

Jedną rzeczą, którą zaczniesz zauważać, jest to, że większość online kalkulatorów linii transmisyjnych całkowicie ignoruje zależność impedancji linii transmisyjnej od częstotliwości. W rzeczywistości istnieje efekt związany z częstotliwością, i efekt ten jest bardziej wyraźny w zależności od oporu, pojemności, indukcyjności i przewodności w systemie.

Impedancja napotykana przez sygnały o niższej częstotliwości ma tendencję do bycia bardziej wrażliwą na zmiany częstotliwości niż impedancja przy wysokich częstotliwościach. Niektóre kalkulatory linii transmisyjnych online nie zawsze pozwalają na badanie impedancji przy niskich częstotliwościach i zazwyczaj zakładają, że pracujesz przy wysokiej częstotliwości.

Przy bardzo wysokich częstotliwościach, takich jak te używane w aplikacjach RF, ta zależność od częstotliwości osiąga wartość stałą. W związku z tym, większość kalkulatorów online zakłada, że pracujesz przy wystarczająco wysokiej częstotliwości, że ta zależność może być zignorowana.

Ważnym wynikiem z kalkulatora linii transmisyjnej jest efektywna stała dielektryczna. Ten parametr zależy od wymiarów ścieżki, jak również od kontrastu między stałymi dielektrycznymi przewodnika i substratu. Ten parametr odgrywa taką samą rolę jak efektywny współczynnik załamania w optyce włóknistej, ponieważ określa, jak szybko sygnał propaguje się wzdłuż linii transmisyjnej.

To tutaj kalkulatory linii transmisyjnych online są również przydatne. Po uzyskaniu efektywnej stałej dielektrycznej, możesz jej użyć do obliczenia opóźnienia linii w twoich ścieżkach. Po obliczeniu opóźnienia linii i porównaniu go z czasem narastania twojego sygnału, będziesz miał odpowiedź, czy twoje ścieżki faktycznie zachowują się jak linie transmisyjne.

Projektowanie elektroniki z kalkulatorem

Symulacje SPICE i Linie Transmisyjne

Symulatory SPICE są przydatne do badania problemów z integralnością sygnału w PCB, szczególnie w aplikacjach o wysokiej prędkości, wysokiej częstotliwości, HDI oraz niskim prądzie. Nie wszystkie symulacje SPICE bezpośrednio zwrócą wartość impedancji twoich linii transmisyjnych; pozwolą ci jednak zdiagnozować problemy z integralnością sygnału, które mogą wynikać z niezgodności impedancji między ścieżkami a komponentami. Pakiety oprogramowania do projektowania online i na komputery stacjonarne dają dostęp do symulacji SPICE.

Wszystkie PCB posiadają pewną pojemność i indukcyjność pasożytniczą ze względu na oddzielenie elementów metalicznych przez dielektryk podłoża. Pracując z symulacją SPICE, efekty impedancji pasożytniczej muszą być modelowane przez dodanie kondensatorów i cewek w szeregowe i równoległe pozycje w twoim równoważnym modelu obwodu.

Typowa symulacja SPICE nie uwzględnia tego bezpośrednio, i musiałbyś dodać cewki i kondensatory w strategicznych punktach, aby uwzględnić reaktancję pasożytniczą. Bardziej zaawansowane symulatory SPICE biorą to pod uwagę bezpośrednio. Twoją pojemność i indukcyjność pasożytniczą można bezpośrednio obliczyć z stałej dielektrycznej podłoża PCB oraz układu przewodników na płytce.

Wyjście z dobrego modelu SPICE jest kluczowe, ponieważ pozwala na wizualizację problemów takich jak dzwonienie, odbicia masy, niedopasowanie sygnału z powodu opóźnienia propagacji, a nawet sprzężenie szumów. Diagnozowanie tych problemów z sygnałem przed produkcją może pomóc uniknąć zamawiania partii wadliwych płyt.

Wyjście to jest zazwyczaj wyświetlane na wykresie napięcia (lub prądu) w funkcji czasu. Tego typu wyjście pozwala porównać siłę sygnału wejściowego i wyjściowego, opóźnienie propagacji i integralność sygnału. Pracując w dziedzinie częstotliwości, można zobaczyć funkcję przejścia, która definiuje związek między sygnałem wejściowym a wyjściowym.

Altium Designer^®  posiada narzędzia symulacyjne i działa w środowisku projektowania opartym na zasadach, które mogą pomóc uniknąć i diagnozować problemy z integralnością sygnału. Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną i sprawdzić, czy Altium jest odpowiednie dla Ciebie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej.