Руководство по проектированию печатных плат: Контроль импеданса во время трассировки печатных плат

В июне 1831 года сэр Джеймс Кларк Росс открыл Северный магнитный полюс на полуострове Бутия в северной Канаде. Хотя термин «открытие» может подразумевать, что Северный магнитный полюс неподвижен, на самом деле Северный и Южный магнитные полюса постоянно перемещаются. Магнитное поле Земли со временем изменяется, и по мере этих изменений сдвигаются и положения полюсов. Учитывая скорость перемещения в 55 км в год, у нас может появиться другое значение для «полярного экспресса».

Однако, занимаясь прокладкой сигналов на вашей печатной плате, у вас может не быть времени, денег или энергии, чтобы беспокоиться о необходимости перемещения от одного полюса к другому. Важно помнить о трассировке и ширине дорожек; тем не менее, дорожки на земляной плоскости вашей платы могут затруднить отслеживание дифференциального импеданса. Изучение того, как наилучшим образом использовать программное обеспечение для проектирования печатных плат для трассировки и управления импедансом, может помочь.

Исследование сложного импеданса

В терминах импеданса концепция "полярности" предполагает иной тип исследования. Комплексный импеданс является важным инструментом при работе с многокомпонентными цепями переменного тока. Вместо использования синусов и косинусов для представления напряжений и токов в этих цепях, мы можем выразить импеданс как комплексную экспоненту или . Импеданс работает как отношение напряжения к току для одной комплексной экспоненты на определенной частоте.

Отсюда мы можем выразить импеданс отдельных элементов цепи как чистые или действительные мнимые числа. С этим, чисто мнимый реактивный импеданс идеального индуктора:

Тем временем, чисто мнимый реактивный импеданс идеального конденсатора выглядит как:

Переход к чистым или мнимым числам требует использования комплексной плоскости с сопротивлением вдоль действительной оси. Здесь значения реактивности конденсатора и индуктора становятся мнимыми числами. Мнимый импеданс обеспечивает реактивную составляющую импеданса и позволяет нам оценить изменения фазы, происходящие из-за реактивности.

При последовательных комбинациях компонентов RL и RC мы можем складывать значения компонентов как компоненты вектора. Как комплексные числа, эти значения имеют те же единицы, что и сопротивление.

Полярная форма комплексного импеданса

Полярная форма комплексных выражений для RL и RC цепей представляет собой двумерную систему координат, которая иллюстрирует взаимосвязь между амплитудой и фазой напряжения и тока. Каждая точка на плоскости находится на определенном расстоянии от точки отсчета и под определенным углом к направлению отсчета. Точка отсчета функционирует как полюс, в то время как луч от полюса в направлении отсчета относится к полярной оси. Расстояние от полюса равно радиальной координате или радиусу, в то время как угол представляет полярный угол.

В полярной форме величина комплексного импеданса равна отношению амплитуды напряжения к амплитуде тока. Фаза комплексного импеданса равна сдвигу фазы тока впереди напряжения. В форме уравнения импеданс выглядит как:

Величина представляет собой отношение амплитуды разности напряжений к амплитуде тока. Аргумент Ɵ дает разность фаз между напряжением и током, в то время как представляет мнимую единицу. Использование полярной формы для комплексного импеданса упрощает умножение и деление величин импеданса.

Возможность планировать ваши дорожки для управления импедансом при маршрутизации печатных плат является необходимой

Контроль импеданса печатной платы

Наше краткое обсуждение сложного импеданса и полярной формы сложного импеданса подчеркивает как математическую сложность, связанную с расчетом импеданса, так и сложные проблемы, с которыми мы сталкиваемся при контроле импеданса в дизайне печатных плат. С многослойными высокочастотными схемами, состоящими из многочисленных переходных отверстий и ветвлений, действующих как линии передачи, проблема становится еще более сложной из-за потенциала отражения энергии между источником и нагрузкой. Независимо от типа или сложности схемы, максимальная передача сигнала происходит только в случае, если все импедансы вдоль пути сигнала совпадают.

Использование лучших практик проектирования на вашей плате может обеспечить правильную прокладку трасс и соответствие импедансов. Чтобы согласовать выходной импеданс источника, импеданс трассы и входной импеданс нагрузки:

• Согласуйте импеданс компонентов
• Измерьте характеристики трассы, такие как длина, ширина и толщина
• Используйте микрополоски для достижения желаемого импеданса

Управляемая маршрутизация импеданса и Altium Designer^®

Altium Designer позволяет анализировать целостность сигнала вашей печатной платы на этапе захвата схемы. Вы также можете определить сети питания и использовать меню Инструменты для предоставления средних значений импеданса дорожек и длин маршрутов. Altium Designer предлагает простое решение для согласования импеданса компонентов в вашем проекте. Вы также можете анализировать отражение на выбранных сетях и экспериментировать с различными значениями терминаторов.

Для определения импеданса маршрутизации вы можете использовать одну из двух формул, найденных в Altium Designer. Первая позволяет определить характеристический импеданс микрополосы, в то время как вторая предоставляет формулу характеристического импеданса для стриплайна. Обе уравнения показывают толщины диэлектрика, ширину маршрутизации и диэлектрическую постоянную материала диэлектрика.

Доверьте ваше программное обеспечение для проектирования печатных плат, чтобы помочь эффективно и эффективно прокладывать ваши трассы

Altium Designer дополнительно упрощает эту задачу с помощью опции Ширина с Характеристическим Импедансом. С этой опцией вы можете установить правило проектирования Ширины Маршрутизации в редакторе правил и ограничений PCB, а затем ввести необходимые импедансы. Опция Ширина с Характеристическим Импедансом автоматически переводит требуемые импедансы в ширины для каждого сигнального слоя. Функция маршрутизации с контролируемым импедансом в Altium Designer автоматически корректирует ширину дорожки для требуемого импеданса.

Чтобы узнать больше о маршрутизации с контролируемым импедансом и согласовании импеданса компонентов для вашего высокоскоростного дизайна печатной платы, обратитесь к эксперту в Altium Designer.