Właściwości linii transmisyjnych wpływające na impedancję—Ukryte funkcje

Tutaj oraz w kilku innych artykułach opublikowanych w sekcji Altium Resource na stronie internetowej firmy, temat impedancji linii transmisyjnej został omówiony z różnych perspektyw. Wcześniej poruszyłem kwestię impedancji linii transmisyjnej w moim artykule, Ewolucja technologii symulacji a impedancja i mogłoby się wydawać, że wyczerpaliśmy już pole potencjalnych informacji, które można na ten temat dostarczyć, jednak w rzeczywistości niektóre aspekty zostały omówione tylko pobieżnie. Ten artykuł będzie szczegółowo omawiał te aspekty i ich wpływ wraz z podstawowymi równaniami, które są używane do kontrolowania impedancji linii transmisyjnej.

Źródła impedancji lub niezgodności

Jak omówiono w poprzednich artykułach, cztery główne zmienne, które określają impedancję linii transmisyjnej na warstwie powierzchniowej, to:

• Wysokość ścieżki nad płaszczyzną, po której podróżuje.
• Szerokość ścieżki.
• Grubość ścieżki.
• Materiał izolacyjny używany do podparcia ścieżki.

Gdy powyższe cztery zmienne są znane, możliwe jest określenie, które cechy na PCB będą miały istotny wpływ na impedancję. Te cechy obejmują:

• Zmiany szerokości ścieżki w tej samej warstwie. Zjawisko to jest ogólnie określane jako zwężanie ścieżki.
  • Zwężanie ścieżki odnosi się do zmniejszenia szerokości ścieżki, gdy zbliża się ona do węższego pola lutowniczego, takiego jak znajdujące się na urządzeniu montowanym powierzchniowo (SMD) lub przelocie, którego średnica jest mniejsza niż szerokość ścieżki.
• Zmiany grubości ścieżki.
• Zmiany wysokości nad płaszczyzną.
• Wypustki wzdłuż linii transmisyjnej.
• Obciążenia wzdłuż linii transmisyjnej.
• Przejścia złącz.
• Źle dopasowane zakończenia.
• Brak zakończeń.
• Większe nieciągłości płaszczyzny zasilania.
• Zmiany względnej stałej dielektrycznej.

Jak zauważono w poprzednich artykułach, zakręty pod kątem prostym i przelotki nie znajdują się na powyższej liście, ponieważ żadna z tych cech nie jest znaczącym źródłem niezgodności impedancji.

Równania impedancji

Istnieje kilka równań, które są pomocne w obliczaniu impedancji. Są one przedstawione poniżej. Jak wcześniej zauważono, impedancja linii transmisyjnej jest określana przez pojemność i indukcyjność rozłożoną wzdłuż długości linii transmisyjnej. Równanie używane do obliczania impedancji jest powtórzone tutaj w Równaniu 1.

Równanie 1. Równanie impedancji

W powyższym, Z₀ to impedancja w omach; jωL₀ to pasożytnicza indukcyjność w henrach na jednostkę długości, jωC₀ to pasożytnicza pojemność w faradach na jednostkę długości, a R₀ to straty związane z efektem naskórkowym (które można ignorować do momentu osiągnięcia bardzo wysokich częstotliwości). G₀ to strata w dielektryku. Jak zauważono powyżej, zmiana zarówno pasożytniczej indukcyjności, jak i pasożytniczej pojemności zmieni impedancję linii transmisyjnej. Wykazano również, że zmiany w impedancji powodują odbicia sygnału. Dla wygody równanie odbicia jest powtórzone w równaniu 2.

 
Równanie 2. Równanie odbicia

To równanie przewiduje procentowe odbicie pola EM padającego w stosunku do źródła na podstawie dwóch impedancji po obu stronach zmiany, gdzie Z_l to impedancja po stronie dalszej, a Z₀ to impedancja po stronie bliższej. Równanie odzwierciedla amplitudę napięcia odbicia.

Na podstawie równania 1 nie jest oczywiste, które zmienne będą miały wpływ na impedancję. Równanie 3 to klasyczne równanie mikropaska powierzchniowego. Ilustruje ono zmienne na PCB, które określają impedancję.

Równanie 3. Klasyczne równanie impedancji mikropaskowej powierzchni

To równanie zostało zamieszczone wyłącznie w celach ilustracyjnych, aby można było pokazać zmienne. W oddzielnym artykule, który pojawi się po tym, zostanie pokazane, że to równanie, jak i inne równania używane do obliczania impedancji, mają ograniczony zakres, w którym są ważne. Dostępne są bardziej dokładne metody, a niektóre z nich zostały omówione w poprzednich artykułach. Artykuł, który pojawi się po tym, będzie również zawierał inne metody określania impedancji.

Wspólną cechą wymienionych powyżej cech jest to, że mogą one mieć mierzalny wpływ na jedną lub obie zmienne w Równaniu 1, indukcyjność pasożytniczą lub pojemność pasożytniczą. Możemy wziąć te cechy i pokazać zmienne, które one wpływają.

• Zmiana szerokości ścieżki na tej samej warstwie—C₀
• Zmiana grubości ścieżki—C₀
• Zmiana wysokości ścieżki nad płaszczyzną—C₀
• Wypustki wzdłuż linii transmisyjnej—C₀
• Obciążenia wzdłuż linii transmisyjnej—C₀
• Przejścia złączowe—C₀
• Duże nieciągłości płaszczyzny zasilania—C₀
• Zmiany w względnej stałej dielektrycznej—C₀
• Niedopasowane zakończenia
• Brak zakończeń

Jak można zauważyć, z wyjątkiem źle dopasowanych zakończeń i braku zakończeń, wszystkie źródła niezgodności impedancji są spowodowane przez coś, co zmieniło pojemność pasożytniczą. W granicach wymiarów ścieżek w PCB, w porównaniu do C₀, L₀ jest stosunkowo stałe. Pomaga to, gdy przychodzi czas na projektowanie ścieżek sygnałowych o kontrolowanej impedancji lub diagnozowanie problemów z impedancją.

Gdy zrozumie się, że praktycznie wszystkie zmiany impedancji wzdłuż linii transmisyjnej są spowodowane zmianami w pojemności pasożytniczej, łatwiej jest zarządzać tymi zmianami i tworzyć dobrą kontrolę impedancji.

Tabela 1 pokazuje względną stałą dielektryczną laminatu, który jest powszechnie znany jako FR-4.

Tabela 1. Informacje o laminacie dla laminatu powszechnie zwanego FR-4

Nie tylko względna stała dielektryczna zmienia się w zależności od częstotliwości, ale również waha się w zależności od ilości użytego szkła i żywicy do wytworzenia laminatu. Jak można zauważyć, istnieją cztery sposoby na wykonanie laminatu o grubości 4 mil; trzy sposoby na wykonanie laminatu o grubości 5 mil oraz cztery sposoby na wykonanie laminatu o grubości 6 mil. Ponadto, należy zauważyć, że stosunek szkła do żywicy jest różny w każdej z tych formuł, podobnie jak względna stała dielektryczna. Jeśli układ PCB jest zaprojektowany do użycia jednej z tych formuł, a producent użyje jednej z pozostałych, impedancja nie będzie taka, jak oczekiwano. Jest to najczęstszy powód, dla którego zmiana producentów skutkuje PCB o różnych charakterystykach. Aby uniknąć tego problemu, konieczne jest określenie na rysunku produkcyjnym, która formuła laminatu jest wymagana w każdym otworze w układzie.

Podsumowanie

Zrozumienie zmiennych i cech w PCB, które mogą wpływać na impedancję linii transmisyjnej, ułatwia projektowanie z kontrolą impedancji za pierwszym razem oraz ułatwia rozwiązywanie problemów z impedancją, które mogą wystąpić podczas projektowania lub procesów produkcyjnych.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium lub czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o włączaniu obliczeń impedancji do zasad projektowania z Altium Designer^®.

Referencje:

1. Ritchey, Lee W. i Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 1.”