Pomiar impedancji linii transmisyjnej: tryb parzysty vs. nieparzysty

Pomiar linii transmisyjnych jednostronnych jest stosunkowo prosty w porównaniu do linii transmisyjnych sprzężonych. Masz połowę liczby portów, nie musisz uwzględniać elementów pasożytniczych, a oczywiście nie musisz rozważać wrażliwości na fazę przy sterowaniu. Linie transmisyjne w trybie parzystym i nieparzystym sprzęgają się pojemnościowo i indukcyjnie, powodując, że sygnały na obu liniach widzą wartości impedancji, które nie odpowiadają charakterystycznej impedancji, ale to musi zostać zakwalifikowane dla szybkich PCB przy pomocy pomiarów.

Projektując rozwiązania połączeniowe dla ultrawysokich prędkości i płyt o wysokiej częstotliwości, prawdopodobnie będziesz musiał zebrać pomiary impedancji dla proponowanych projektów. Symulacje są tutaj przydatne, ale ostatecznie rzeczywisty produkt będzie musiał zostać porównany z wydajnością prototypu. Oto narzędzia, których potrzebujesz, aby mierzyć impedancje, w tym impedancje linii transmisyjnych w trybie parzystym i nieparzystym, oraz jak są one związane z innymi podstawowymi pomiarami w systemach cyfrowych.

Techniki pomiaru impedancji linii transmisyjnych

Impedancję można mierzyć w dziedzinie częstotliwości i w dziedzinie czasu (zwykle odnosząc się do pomiarów z danych TDR), zarówno z bezpośredniego pomiaru, jak i z obliczeń na podstawie innych danych. Pomiar wymaga ważnego zrozumienia ograniczeń twojego przyrządu pomiarowego oraz natury impedancji na rzeczywistych liniach transmisyjnych.

1. Impedancja nie jest stała na całej szerokości pasma sygnału, tzn. zmienia się wraz z częstotliwością, a zmiana ta nie jest prostą zależnością odwrotnie proporcjonalną do pierwiastka kwadratowego. Każdy, kto zna model RCLG, powinien być tego świadomy.
2. Zniekształcenie sygnału występuje, gdy sygnał przemieszcza się wzdłuż linii transmisyjnej, a pomiary w dziedzinie czasu nie ujawniają wyraźnie zniekształceń zależnych od częstotliwości. Potrzebujesz albo pomiaru w dziedzinie częstotliwości, albo musisz obliczyć impedancję zależną od częstotliwości.
3. Pasmo pomiaru impedancji zawsze będzie ograniczone. W szczególności, pomiary w dziedzinie czasu znacznie ograniczą pasmo, chyba że Twój pomiar jest bardzo szybki. Dlatego ilość informacji, którą możesz uzyskać na temat impedancji i dyspersji linii transmisyjnej, będzie ograniczona do pewnej maksymalnej częstotliwości.

Dwie techniki pomiaru impedancji linii transmisyjnej, które tutaj omówimy, to reflektometria w dziedzinie czasu (TDR, oraz pokrewny pomiar transmisji w dziedzinie czasu, TDT) i pomiary parametrów S w dziedzinie częstotliwości. Możliwe jest użycie analizatora sieci wektorowej (VNA) do budowy mieszanych parametrów S dla sprzężonych linii transmisyjnych, co dałoby Ci wspólną impedancję trybu lub impedancję trybu różnicowego pary sprzężonych linii transmisyjnych.Aby przeprowadzić te pomiary, potrzebujesz modułu TDR lub oscyloskopu z wbudowanym ustawieniem TDR oraz analizatora sieci wektorowej (VNA) o odpowiedniej przepustowości.

Za pomocą tych instrumentów możemy uzyskać wartość impedancji jednostronnej dla każdej linii w parze sprzężonych linii, lub możemy bardziej bezpośrednio uzyskać impedancję różnicową. Poniższa tabela podsumowuje, które techniki pozwolą na określenie których typów impedancji.

Niektóre oscyloskopy i VNA będą miały wbudowane ustawienie TDR, więc może wystarczyć pojedynczy instrument do przeprowadzenia tych pomiarów. Jeśli nie masz ćwierć miliona dolarów na 4-portowy szerokopasmowy VNA, dostępne są szybkie TDR-y, które mogą być użyte do określenia tych impedancji.

Impedancja charakterystyczna jednostronna

Reflektometria w dziedzinie czasu (TDR)

Pomiary TDR często poruszane są w kontekście jednostronnych linii transmisyjnych i włókien optycznych do mierzenia refleksyjności; zmierzony odbiór impulsu w dziedzinie czasu może być użyty do obliczenia impedancji linii, co daje tę samą technikę można wykorzystać do pomiaru impedancji linii transmisyjnej. Polega to na wysłaniu impulsu w dół kanału i zmierzeniu czasu potrzebnego na odbicie sygnału od narzuconej nieciągłości impedancji. Dla pomiaru impedancji linii transmisyjnej wymaga to umieszczenia elementu o znanej impedancji na dalekim końcu linii; to, co wówczas jest mierzone dla wystarczająco długiej linii, to impedancja wejściowa na końcu obciążenia.

To pomiar w dziedzinie czasu ujawnia przesunięcie fazy spowodowane odbiciem (albo 0°, albo 180°) oraz poziom sygnału odbitego/przesłanego. Na podstawie tych danych można obliczyć impedancję linii transmisyjnej z użyciem poniższego wzoru, korzystając ze złożonego współczynnika odbicia:

Złożony współczynnik odbicia między linią transmisyjną a źródłem/obciążeniem. Dla odbicia od strony źródła, Z0 to impedancja źródła, a ZL to charakterystyczna impedancja linii transmisyjnej. Dla odbicia od strony obciążenia, Z0 to charakterystyczna impedancja linii transmisyjnej, a ZL to impedancja źródła.

Tutaj zakłada się, że źródło jest idealnie dopasowane do linii transmisyjnej, co jest wielkością nieznaną, chociaż to odbicie może być określone i użyte do określenia impedancji wejściowej na wejściu linii. Morale z tej historii jest takie: bądź ostrożny, co obliczasz, gdy używasz danych o odbiciach do określenia impedancji.

To, co faktycznie mierzysz w przypadku z TDR, to impulsowa odpowiedź linii transmisyjnej, więc jeśli chcesz, możesz obliczyć funkcję przenoszenia dla linii transmisyjnej, jeśli możesz zmierzyć poziom napięcia sygnału na końcu linii przy obciążeniu. Pasmo sygnału, które możesz zmierzyć, będzie ograniczone przez szerokość impulsu wejściowego (są one odwrotnością). Jednak funkcja przenoszenia daje pełne informacje o linii i może być użyta do określenia parametrów ABCD, a następnie parametrów S.

Ostatecznie, podejście w dziedzinie czasu nie jest kompletne, ponieważ traci się wszelkie informacje o częstotliwości, więc współczynnik odbicia, który mierzysz w dziedzinie czasu, można postrzegać jako średnią ważoną częstotliwości niejednorodnej impedancji. Chociaż matematycznie to nie jest całkowicie prawdziwe, dane w dziedzinie częstotliwości są mniej ważne niż dane w dziedzinie częstotliwości, które ujawniają prawdziwą naturę linii transmisyjnej, jak również linii sprzężonych. Tutaj użylibyśmy pomiaru parametrów S.

Pomiar parametrów S

Pomiar parametrów S traktuje linię transmisyjną jako sieć dwuportową i wymaga dwuportowego analizatora sieci wektorowych (VNA). Napięcie i prąd (moc) przychodzące/wychodzące są mierzone tym urządzeniem i używane do określenia wartości w macierzy parametrów S w dziedzinie częstotliwości. Ten typ pomiaru można łatwo skonfigurować z VNA. To, co tak naprawdę mierzysz, to impedancja wejściowa na porcie wejściowym linii, która może być następnie użyta do obliczenia charakterystycznej impedancji i stałej propagacji dla pojedynczej linii.

Zamiast zagłębiać się we wszystkie matematyczne aspekty tego, odsyłam do dowolnego zaawansowanego podręcznika z elektroniki, lub możesz rzucić okiem na ten PDF, aby zobaczyć, jak przekształcić parametry Z z wartością impedancji charakterystycznej na parametry S z określoną impedancją odniesienia. Ważne jest tutaj, że współczynnik odbicia na każdym końcu linii może być obliczony z współczynnika S11, który następnie może być przekształcony z powrotem na impedancję linii transmisyjnej jako funkcję częstotliwości.

Warto zauważyć, że VNA jest nieocenionym urządzeniem, które warto mieć w swoim laboratorium, nawet jeśli jest to urządzenie o niskiej przepustowości. Urządzenia wyższej klasy mogą automatycznie przeprowadzać obliczenia z parametrów S na parametry impedancji dla danej impedancji odniesienia, a niektóre mogą dostarczać pomiar TDR.

Impedancja parzysta i nieparzysta dla sprzężonych linii

Podczas badania sprzężonych linii transmisyjnych pod kątem wspólnego lub różnicowego trybu pracy, musisz albo dostarczyć dwa oddzielne sygnały TDR/TDT na obu liniach jednocześnie, albo musisz zmierzyć impedancje trybu parzystego/nieparzystego. Impedancja trybu parzystego to po prostu impedancja pojedynczej linii, gdy obie linie są sterowane w trybie wspólnym. Jest to dość proste z użyciem VNA, ponieważ możesz bezpośrednio zmierzyć parametry S w dziedzinie częstotliwości, a następnie przekonwertować to na impedancję.

Ta sama procedura dotyczy impedancji trybu nieparzystego, gdzie sprzężone linie są sterowane w trybie różnicowym. Po obliczeniu impedancji trybu parzystego i nieparzystego, po prostu oblicz różnicową i wspólną impedancję, jak pokazano poniżej.

Należy zauważyć, że gdy mamy do czynienia z liniami sprzężonymi, charakterystyczna impedancja nie jest już tak ważna. Ważne wartości to impedancja trybu parzystego i różnicowa. W idealnej sytuacji, impedancja trybu parzystego będzie prawie równa impedancji charakterystycznej, a impedancja różnicowa będzie prawie podwójna w stosunku do impedancji charakterystycznej przy niskim sprzężeniu.

Zasadniczo, jeśli znasz impedancję charakterystyczną każdej linii i znasz jedną z impedancji sprzężonych, możesz obliczyć drugą impedancję sprzężoną. Wynika to z faktu, że impedancje w trybie parzystym i nieparzystym są związane z impedancją charakterystyczną poprzez impedancję transferową, która zasadniczo ma taką samą definicję jak w PDN:

Tutaj, Z11 to impedancja charakterystyczna patrząc na port 1 dla jednej z linii transmisyjnych. Jeśli impedancja transferowa jest znana, wtedy możesz obliczyć impedancje różnicowe z pomiarów jednostronnych.

• Przeczytaj więcej o projektowaniu zgodnie ze specyfikacją impedancji różnicowej
• Przeczytaj więcej o sześciu ważnych wartościach impedancji linii transmisyjnej

TDR dla Impedancji Sprzężonej

Impedancje dla pary linii mogą być zmierzone za pomocą TDR, chociaż te same efekty ograniczenia pasma i efekty impedancji portu mają zastosowanie. Impedancje sprzężone są określane w następujący sposób:

• Impedancje w trybie parzystym/wspólnym - Mogą być zmierzone za pomocą jednostronnego TDR. Po prostu połącz parę linii na ich końcach i zasil pojedynczym sygnałem, impedancje, które zmierzysz, będą wspólne, i to może być użyte do obliczenia trybu parzystego.
• Tryb różnicowy - Wymaga to modułu TDR z dwoma wyjściami o możliwości wyboru polaryzacji. Należy zauważyć, że fazy sygnałów wejściowych muszą być dokładnie dopasowane fazowo z wszelkimi łączącymi kablami oraz na PCB, w przeciwnym razie otrzymasz znaczące błędy w pomiarze.

Należy zauważyć, że pomiar w trybie różnicowym z wyjściem o wybieralnej polaryzacji może być również użyty do określenia impedancji wspólnych. Gdy znane są wartości sprzężone i charakterystyczne, można również określić impedancję transferową między liniami.

VNA dla Impedancji Sprzężonej

Pojedynczy VNA może być użyty do bezpośredniego określenia impedancji linii sprzężonych. W tym przypadku mierzysz mieszane parametry S przez 4 porty. Niektóre VNA będą miały wybieralne impedancje odniesienia przez swoje wtyki złączowe lub wewnętrznie w urządzeniu. Możesz wtedy określić impedancję wejściową różnicową lub wspólną za pomocą następujących równań:

W powyższym równaniu zakładamy, że oba porty na liniach sprzężonych mają tę samą impedancję odniesienia (Zref).

Jeśli twoje VNA to tylko urządzenie 2-portowe, wtedy możesz użyć go do określenia mieszanych parametrów S dla układu linii transmisyjnej różnicowej/wspólnej. Aby to zrobić, postępuj zgodnie z tym procesem:

1. Zmierz parametry S wieloportowe za pomocą urządzenia dwuportowego, kończąc pozostałe porty (zobacz tutaj, aby uzyskać więcej informacji)
2. Przekształć parametry S jednostronne z kroku 1 na parametry S mieszane, używając grup równań pokazanych poniżej.

Poniższy obraz przedstawia wszystkie równania potrzebne do tych konwersji. Możemy podziękować jednemu z naszych gości podcastu, Bertowi Simonovichowi, za zebranie tych pomiarów. Upewnij się, że sprawdziłeś jego artykuł w Signal Integrity Journal, link znajduje się w podpisie.

Porównaj swoje pomiary z symulacjami pola EM

Kiedy projektujesz i mierzysz połączenia międzykomponentowe dla zaawansowanych aplikacji, powinieneś porównać swoje wyniki z danymi z solvera pola EM. Rozwiązania pełnofalowe nie są konieczne do uzyskania podstawowych pomiarów linii transmisyjnych, możesz użyć 2D solvera przekroju pola w narzędziach do trasowania PCB lub niektórych zewnętrznych solverów 2D/3D, które są specyficzne dla linii transmisyjnych. Rozwiązania pełnofalowe stają się ważniejsze, gdy płyty stają się bardzo skomplikowane i gdy w pobliżu znajdują się inne struktury, które mogą wpływać na impedancję i wstrzykiwanie szumów do linii transmisyjnej/złączonych linii. Jeśli linie na skomplikowanej płycie są kwalifikowane i płyta musi zostać zdebugowana, wtedy solver pełnofalowy może pomóc ujawnić problem, który powoduje awarię płyty.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o pracy z pomiarami i obliczeniami linii transmisyjnych, zapoznaj się z tymi artykułami:

• Metody obliczania i mierzenia impedancji, część 1
• Metody obliczania i mierzenia impedancji, część 2
• Dlaczego istnieje krytyczna długość linii transmisyjnej?

Menadżer stosu warstw w Altium Designer® zawiera zintegrowany rozwiązywacz pola elektromagnetycznego, który pomaga dokładnie określić impedancje, a narzędzia do trasowania pozwalają szybko aktualizować projekt na podstawie wyników symulacji i pomiarów. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.