Impedancja linii transmisyjnej: Sześć ważnych wartości

Przeglądając różne wartości impedancji linii transmisyjnych, impedancja charakterystyczna i impedancja różnicowa zazwyczaj wyróżniają się jako dwa ważne parametry, ponieważ są one zwykle określone w standardach sygnalizacyjnych. Jednak w rzeczywistości istnieje sześć wartości impedancji linii transmisyjnych, które są ważne w projektowaniu PCB. Czasami jest ich siedem, w zależności od tego, które podręczniki lub artykuły techniczne czytasz.

Równania impedancji charakterystycznej można łatwo znaleźć w wielu artykułach i podręcznikach, ale pozostałe typowe wartości impedancji linii transmisyjnych są trudniejsze do obliczenia. Powodem tej trudności jest to, że zależy to od układu wielu linii transmisyjnych i siły sprzężenia między nimi. Inną typową wartością impedancji jest impedancja wejściowa, która zależy od długości linii i wszelkich niedopasowań impedancji.

Wartości Impedancji Linii Transmisyjnych

Oto ważne wartości impedancji linii transmisyjnych, które należy zrozumieć jako część projektowania i trasowania PCB.

Impedancja Charakterystyczna

Jeśli wyszukasz w Google termin „impedancja linii transmisyjnej”, definicja impedancji charakterystycznej jest najprawdopodobniej wynikiem, który zobaczysz na pierwszej stronie wyników wyszukiwania. Większość projektantów prawdopodobnie zna impedancję charakterystyczną, ponieważ jest ona zdefiniowana w modelu obwodu skupionego. Ten model zwraca następujący popularny wzór na impedancję charakterystyczną:

Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości lub wystarczająco niskich stratach, impedancja charakterystyczna staje się czysto rezystancyjna i zbiega do następującej wartości:

Impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej w granicy wysokiej częstotliwości.

Zauważ, że tutaj zignorowano efekt naskórkowy, który ma zastosowanie do pasma około 1 GHz dla sygnałów cyfrowych. Możesz wyprowadzić wartości L i C z opóźnienia propagacji i impedancji charakterystycznej, używając standardowych wzorów dla różnych geometrii ścieżek. Następnie możesz użyć tych wartości obwodu do optymalizacji szerokości ścieżki i indukcyjności oraz zminimalizowania przelotowych dzwonień.

Impedancja charakterystyczna jest czasami nazywana „impedancją przepięciową” i jest związana z terminem „obciążenie impedancją przepięciową”. Ten termin jest często używany przez inżynierów systemów energetycznych do określania mocy przekazywanej przez linię transmisyjną i widzianej na obciążeniu.

Impedancja w trybie parzystym i nieparzystym

Dwie linie transmisyjne, które są wystarczająco blisko siebie, doświadczają sprzężenia pojemnościowego i indukcyjnego. To sprzężenie zwykle determinuje przebicie sygnału, ale również modyfikuje impedancję widzianą przez sygnały na każdej linii. Gdy sprzężone linie są sterowane w trybie wspólnym (ta sama wielkość, ta sama polarność), impedancja w trybie parzystym to impedancja widziana przez sygnał podróżujący po jednej z linii transmisyjnych w parze. Podobna definicja ma zastosowanie, gdy linie są sterowane w trybie różnicowym (ta sama wielkość, ta sama polarność):

Należy zauważyć, że wartości impedancji linii transmisyjnych w trybie parzystym i nieparzystym są definiowane w terminach parametrów Z dla pary sprzężonych linii transmisyjnych:

Macierz Z (nazywana również parametrami impedancji) może być łatwo przekształcona na parametry S. Można ją również uogólnić do wielu sprzężonych linii transmisyjnych z wspólnym trybem lub trybem różnicowym. Zapoznaj się z tym dokumentem PDF, aby znaleźć równania potrzebne do przekształcenia parametrów Z lub wartości charakterystycznej impedancji na parametry S.

Impedancja Wspólna i Różnicowa

Wartości impedancji wspólnej i różnicowej są powiązane z wartościami impedancji parzystej i nieparzystej. Wartości impedancji różnicowej są zazwyczaj określane dla dopasowania impedancji par różnicowych, a nie impedancji nieparzystej. Impedancja pary różnicowej zależy od impedancji charakterystycznej oraz odstępu między każdym końcem pary różnicowej. To samo dotyczy impedancji wspólnej, z tą różnicą, że impedancja wspólna pojawia się przy wspólnym sterowaniu.

Fizycznie, impedancja różnicowa to impedancja mierzona między dwoma sprzężonymi liniami transmisyjnymi, gdy para jest sterowana w trybie różnicowym. Podobnie, impedancja wspólna to impedancja mierzona między dwoma sprzężonymi liniami transmisyjnymi, gdy para jest sterowana w trybie wspólnym.

Impedancja Wejściowa

Wartość impedancji tej linii transmisyjnej jest ważna w dopasowaniu impedancji i może być używana do określenia, kiedy linia transmisyjna przekroczyła krytyczną długość; zapoznaj się z powiązanym artykułem, aby zobaczyć, jak można określić dopuszczalne niedopasowanie impedancji. Nie powtarzając wszystkiego z tego artykułu, impedancja wejściowa zależy od impedancji charakterystycznej, stałej propagacji, impedancji obciążenia i długości linii transmisyjnej:

Zintegrowane Kalkulatory Impedancji Linii Transmisyjnej

Przedstawiono tutaj kilka równań, które opisują idealne sytuacje nieuwzględniające złożonej geometrii rzeczywistego PCB. Jednak nadal stanowią dobry punkt wyjścia podczas projektowania linii transmisyjnych. Modele obwodów mogą być używane do przybliżenia sprzężenia między liniami w zakresie wzajemnej pojemności i indukcyjności, co następnie może być wykorzystane do określenia wartości impedancji parzystej/nieparzystej oraz wspólnej/różnicowej.

Gdy potrzebujesz wyjątkowo dokładnych obliczeń impedancji linii transmisyjnych, musisz użyć metody, która zawiera zintegrowany rozwiązywacz pola elektromagnetycznego. To zapewnia bardzo dokładne wyniki impedancji dla rzeczywistych PCB, jak również zachowanie sygnału na zboczach narastających i opadających. To ładnie uwzględnia złożone parasity, których nie można wprowadzić do modeli obwodów, i pozwala projektantowi uwzględnić geometrie strojenia długości wzdłuż długości sprzężonych linii transmisyjnych.

Menadżer stosu warstw i narzędzia do trasowania w Altium Designer® zawierają rozwiązywacz pola elektromagnetycznego, który tworzy dokładny profil impedancji dla typowych geometrii ścieżek. Umożliwia to szybkie i łatwe trasowanie z kontrolowaną impedancją oraz zapewnia dokładność poniżej mila przy projektowaniu linii transmisyjnych. Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.