Impedância da Linha de Transmissão: Os Seis Valores Importantes

Ao analisar os diversos valores de impedância de linha de transmissão, a impedância característica e a impedância diferencial geralmente se destacam como os dois valores importantes, pois são tipicamente especificados nos padrões de sinalização. No entanto, realmente existem seis valores de impedância de linha de transmissão que são importantes no design de PCBs. Às vezes, são sete, dependendo de quais livros didáticos ou artigos técnicos você lê.

As equações de impedância característica podem ser facilmente encontradas em vários artigos e livros didáticos, mas os outros valores comuns de impedância de linha de transmissão são mais difíceis de calcular. A razão para essa dificuldade é que ela depende do arranjo de múltiplas linhas de transmissão e da força de acoplamento entre elas. O outro valor típico de impedância é a impedância de entrada, que depende do comprimento da linha e de qualquer desajuste de impedância.

Valores de Impedância de Linha de Transmissão

Aqui estão os valores importantes de impedância de linha de transmissão para entender como parte do design e roteamento de PCBs.

Impedância Característica

Se você pesquisar o termo “impedância de linha de transmissão” no Google, a definição de impedância característica é o resultado mais provável que você verá na primeira página dos resultados de pesquisa. A maioria dos projetistas provavelmente está familiarizada com a impedância característica, pois é definida dentro de um modelo de circuito concentrado. Este modelo retorna a seguinte fórmula popular para impedância característica:

Em frequências suficientemente altas ou com perdas suficientemente baixas, a impedância característica torna-se puramente resistiva e converge para o seguinte valor:

Impedância característica de uma linha de transmissão no limite de alta frequência.

Note que o efeito pelicular foi ignorado aqui, o que é aplicável até uma largura de banda de ~1 GHz para sinais digitais. Você pode derivar os valores de L e C a partir do atraso de propagação e da impedância característica usando fórmulas padrão para geometrias de trilhas diferentes. Você pode então usar esses valores de circuito para otimizar a largura da sua trilha e a indutância e minimizar o toque transitório.

A impedância característica é às vezes chamada de “impedância de surto” e está relacionada ao termo “carga de impedância de surto”. Este termo é frequentemente usado por engenheiros de sistemas de energia para quantificar a energia transferida através de uma linha de transmissão e vista em uma carga.

Impedância de Modo Par e Modo Ímpar

Duas linhas de transmissão que estão suficientemente próximas uma da outra experimentam acoplamento capacitivo e indutivo. Esse acoplamento normalmente determina o crosstalk, mas também modifica a impedância vista pelos sinais em cada linha. Quando linhas acopladas são conduzidas no modo comum (mesma magnitude, mesma polaridade), a impedância no modo par é a impedância vista por um sinal viajando em uma linha de transmissão no par. Uma definição similar se aplica quando as linhas são conduzidas no modo diferencial (mesma magnitude, mesma polaridade):

Note que os valores de impedância de linha de transmissão no modo par e ímpar são definidos em termos de parâmetros Z para um par de linhas de transmissão acopladas:

A matriz Z (também chamada de parâmetros de impedância) pode ser facilmente convertida para parâmetros S. Ela também pode ser generalizada para múltiplas linhas de transmissão acopladas com condução no modo comum ou diferencial. Dê uma olhada neste PDF para as equações necessárias para converter parâmetros Z ou um valor de impedância característica para parâmetros S.

Impedância no Modo Comum e Diferencial

Os valores de impedância em modo comum e diferencial estão relacionados aos valores de impedância em modo par e ímpar. Os valores de impedância diferencial são normalmente especificados para a correspondência de impedância de pares diferenciais, em vez de impedância em modo ímpar. A impedância do par diferencial depende da impedância característica e do espaçamento entre cada extremidade do par diferencial. O mesmo se aplica à impedância em modo comum, exceto que a impedância em modo comum surge sob condução em modo comum.

Fisicamente, a impedância diferencial é a impedância medida entre duas linhas de transmissão acopladas quando o par é conduzido em modo diferencial. Da mesma forma, a impedância em modo comum é a impedância medida entre duas linhas de transmissão acopladas quando o par é conduzido em modo comum.

Impedância de Entrada

Este valor de impedância da linha de transmissão é importante na correspondência de impedância e pode ser usado para quantificar quando uma linha de transmissão ultrapassou o comprimento crítico; dê uma olhada no artigo vinculado para ver como você pode quantificar a permissibilidade da incompatibilidade de impedância. Sem repetir tudo nesse artigo, a impedância de entrada depende da impedância característica, constante de propagação, impedância de carga e comprimento da linha de transmissão:

Calculadoras Integradas de Impedância de Linha de Transmissão

Várias equações são apresentadas aqui, e essas equações descrevem situações ideais que não levam em conta a geometria complexa de uma PCB real. No entanto, ainda são um bom ponto de partida ao projetar linhas de transmissão. Modelos de circuito podem ser usados para aproximar o acoplamento entre linhas em termos de capacitância e indutância mútuas, que podem então ser usadas para determinar valores de impedância par/ímpar e comum/diferencial.

Quando você precisa de cálculos de impedância de linha de transmissão extremamente precisos, é necessário usar uma rota que tenha um solucionador de campo eletromagnético integrado. Isso oferece resultados de impedância muito precisos com PCBs reais, bem como o comportamento do sinal nas bordas de subida e descida. Isso leva em conta de maneira adequada parasitas complexos que não podem ser incluídos em modelos de circuito, e permite que um projetista considere geometrias de ajuste de comprimento ao longo dos comprimentos de linhas de transmissão acopladas.

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