Калькуляторы задержек в линиях передачи при проектировании печатных плат

Линии передачи - это одна из тех обманчиво сложных вещей, которые делают современную жизнь возможной. То, что кажется простым металлическим кабелем, на самом деле является точно спроектированной системой. Дорожки на печатных платах не исключение, и они подобны кровеносным сосудам, питающим ваши электронные устройства.

Так что же такое линия передачи? Этот термин изначально был принят для создания аналогии между дорожками на печатной плате и гражданскими линиями электропередач. Термин «линия передачи» часто используется без особого контекста. Не все дорожки на печатной плате являются линиями передачи, и правила проектирования для линии передачи становятся важными в некоторых случаях.

Являются ли мои дорожки линиями передачи?

Термин «линия передачи» относится к поведению дорожки на печатной плате, а не к ее конструкции. Определенная дорожка может вести себя как линия передачи в некоторых условиях, в то время как в других условиях она ведет себя как простой проводник.

Ответ на вопрос, действуют ли ваши дорожки как линии передачи, зависит от времени, которое требуется сигналу для распространения вдоль дорожки. Это время называется задержкой линии, задержкой распространения, или задержкой передачи, и все эти термины используются как взаимозаменяемые.

Если задержка линии в вашем следе значительно превышает время нарастания цифрового сигнала, проходящего по следу, то след будет действовать как линия передачи. Для аналоговых сигналов время нарастания принимается равным одной четверти периода колебаний сигнала. В обоих случаях следы и компоненты на каждом конце должны быть согласованы по импедансу, чтобы предотвратить различные проблемы с целостностью сигнала.

Электрические линии передачи

Онлайн калькуляторы линий передачи

Если вы хотите быстро и просто спроектировать ваши следы так, чтобы они имели определенное значение импеданса, вы можете использовать онлайн калькулятор линий передачи. Этот инструмент может рассчитать несколько критически важных параметров, таких как длина на единицу, которые описывают ваши следы для различных конфигураций, включая микрополоски, встроенные микрополоски и полосковые следы.

Одна из вещей, которую вы начнете замечать, это то, что большинство онлайн калькуляторов линий передачи полностью игнорируют зависимость импеданса линии передачи от частоты. На самом деле, существует эффект, зависящий от частоты, и этот эффект более выражен в зависимости от сопротивления, емкости, индуктивности и проводимости в системе.

Импеданс, с которым сталкиваются сигналы низкой частоты, обычно более чувствителен к изменениям частоты, чем импеданс на высоких частотах. Некоторые онлайн-калькуляторы линий передачи не всегда позволяют исследовать импеданс на низких частотах и, как правило, предполагают, что вы работаете на высокой частоте.

На очень высоких частотах, как в приложениях РЧ (радиочастотных), эта зависимость от частоты переходит в постоянное значение. Таким образом, большинство онлайн-калькуляторов предполагают, что вы работаете на достаточно высокой частоте, чтобы эту зависимость можно было игнорировать.

Важным результатом, получаемым с помощью калькулятора линий передачи, является эффективная диэлектрическая постоянная. Этот параметр зависит от размеров дорожки, а также от контраста между диэлектрическими постоянными проводника и субстрата. Этот параметр играет такую же роль, как эффективный показатель преломления в волоконной оптике, поскольку он определяет, насколько быстро сигнал распространяется по линии передачи.

Вот где онлайн-калькуляторы линий передачи также полезны. Получив вашу эффективную диэлектрическую постоянную, вы можете использовать ее для расчета задержки линии в ваших дорожках. После расчета задержки линии и сравнения ее с временем нарастания вашего сигнала, вы получите ответ на вопрос, действительно ли ваши дорожки ведут себя как линии передачи.

Проектирование электроники с помощью калькулятора

Симуляции SPICE и линии передачи

Симуляторы SPICE полезны для изучения проблем целостности сигнала на печатных платах, особенно в приложениях с высокой скоростью, высокой частотой, HDI и низким током. Не все симуляции SPICE напрямую возвращают значение импеданса ваших линий передачи; они позволяют диагностировать проблемы с целостностью сигнала, которые могут возникнуть из-за несоответствия импеданса между дорожками и компонентами. Онлайн- и настольные программные пакеты предоставляют доступ к симуляциям SPICE.

Все печатные платы имеют некоторую паразитную емкость и индуктивность из-за разделения металлических элементов диэлектриком подложки. При работе с симуляцией SPICE эффекты паразитного импеданса должны быть смоделированы путем добавления конденсаторов и индукторов в последовательные и параллельные позиции в вашей эквивалентной схеме.

Типичная симуляция SPICE напрямую это не включает, и вам придется добавлять индукторы и конденсаторы в стратегически важные точки, чтобы учесть паразитную реактивность. Более продвинутые симуляторы SPICE учитывают это напрямую. Вашу паразитную емкость и индуктивность можно напрямую рассчитать из диэлектрической постоянной подложки печатной платы и расположения проводников на плате.

Выходные данные хорошей модели SPICE имеют важное значение, поскольку они позволяют визуализировать проблемы, такие как звон, подпрыгивание земли, несоответствие сигналов из-за задержки распространения, а также связывание шумов. Диагностика этих проблем с сигналами до начала производства может помочь вам избежать заказа партии бракованных плат.

Эти выходные данные обычно отображаются на графике напряжения (или тока) в зависимости от времени. Такой тип выходных данных позволяет сравнить входную и выходную мощность сигналов, задержку распространения и целостность сигнала. При работе в частотной области вы можете увидеть передаточную функцию, которая определяет взаимосвязь между входными и выходными сигналами.

Altium Designer^®  имеет инструменты моделирования и работает в среде проектирования, основанной на правилах, что может помочь вам избежать и диагностировать проблемы с целостностью сигнала. Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию и узнать, подходит ли Altium для вас. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, если хотите узнать больше.