Импеданс линии передачи: Шесть важных значений

Изучая различные значения импеданса линий передачи, характеристический импеданс и дифференциальный импеданс обычно выделяются как два важных значения, поскольку они обычно указываются в стандартах сигнализации. Однако на самом деле существует шесть значений импеданса линий передачи, которые важны при проектировании печатных плат. Иногда их семь, в зависимости от того, какие учебники или технические статьи вы читаете.

Уравнения характеристического импеданса можно легко найти в ряде статей и учебников, но другие распространенные значения импеданса линий передачи сложнее рассчитать. Причина этой сложности заключается в том, что она зависит от расположения нескольких линий передачи и степени связи между ними. Другое типичное значение импеданса - входной импеданс, который зависит от длины линии и любого несоответствия импеданса.

Значения импеданса линий передачи

Вот важные значения импеданса линий передачи, которые необходимо понимать в части проектирования и трассировки печатных плат.

Характеристический импеданс

Если вы введете в Google термин «импеданс линии передачи», определение характеристического импеданса скорее всего будет самым вероятным результатом, который вы увидите на первой странице результатов поиска. Большинство конструкторов, вероятно, знакомы с характеристическим импедансом, поскольку он определен в модели сосредоточенных элементов. Эта модель возвращает следующую популярную формулу для характеристического импеданса:

При достаточно высокой частоте или достаточно низких потерях характеристическое сопротивление становится чисто резистивным и сходится к следующему значению:

Характеристическое сопротивление линии передачи на высокочастотном пределе.

Обратите внимание, что здесь был проигнорирован эффект поверхностного сопротивления, который применим до примерно 1 ГГц полосы пропускания для цифровых сигналов. Вы можете вывести значения L и C, используя стандартные формулы для различных геометрий трасс. Затем вы можете использовать эти значения схемы, чтобы оптимизировать ширину вашей трассы и индуктивность и минимизировать переходные колебания.

Характеристическое сопротивление иногда называют “сопротивлением волнового фронта” и это связано с термином “нагрузка волнового сопротивления”. Этот термин часто используется инженерами энергосистем для количественной оценки передачи энергии по линии передачи и наблюдаемой на нагрузке.

Симметричное и несимметричное сопротивление

Две передающие линии, находящиеся достаточно близко друг к другу, испытывают емкостную и индуктивную связь. Эта связь обычно определяет перекрестные помехи, но также изменяет импеданс, воспринимаемый сигналами на каждой линии. Когда связанные линии работают в общем режиме (одинаковая величина, одинаковая полярность), четный режим импеданса - это импеданс, воспринимаемый сигналом, проходящим по одной из передающих линий в паре. Аналогичное определение применяется, когда линии работают в дифференциальном режиме (одинаковая величина, одинаковая полярность):

Обратите внимание, что значения импеданса передающих линий в четном и нечетном режимах определяются в терминах параметров Z для пары связанных передающих линий:

Матрица Z (также называемая параметрами импеданса) может быть легко преобразована в S-параметры. Это также может быть обобщено на множество связанных передающих линий с общим или дифференциальным управлением. Посмотрите этот PDF для уравнений, необходимых для преобразования параметров Z или значения характеристического импеданса в S-параметры.

Общий и дифференциальный импеданс

Общие и дифференциальные значения импеданса связаны с четными и нечетными значениями импеданса. Значения дифференциального импеданса обычно указываются для согласования импеданса дифференциальных пар, а не для нечетного импеданса. Импеданс дифференциальной пары зависит от характеристического импеданса и расстояния между каждым концом дифференциальной пары. То же относится к общему импедансу, за исключением того, что общий импеданс возникает при общем режиме управления.

Физически дифференциальный импеданс - это импеданс, измеренный между двумя связанными линиями передачи, когда пара работает в дифференциальном режиме. Аналогично, общий импеданс - это импеданс, измеренный между двумя связанными линиями передачи, когда пара работает в общем режиме.

Входной импеданс

Это значение импеданса линии передачи важно для согласования импеданса и может использоваться для определения, когда линия передачи превысила критическую длину; ознакомьтесь со связанной статьей, чтобы узнать, как можно количественно оценить допустимое несоответствие импеданса. Не повторяя все, что сказано в той статье, входной импеданс зависит от характеристического импеданса, постоянной распространения, импеданса нагрузки и длины линии передачи:

Интегрированные калькуляторы импеданса линии передачи

Здесь представлены несколько уравнений, которые описывают идеальные ситуации, не учитывающие сложную геометрию реальной печатной платы. Тем не менее, они все еще являются хорошей отправной точкой при проектировании линий передачи. Модели цепей могут быть использованы для приближенного определения связи между линиями с точки зрения взаимной емкости и индуктивности, которые затем могут быть использованы для определения значений четной/нечетной и общей/дифференциальной импедансности.

Когда вам нужны чрезвычайно точные расчеты импеданса линий передачи, вам необходимо использовать метод, который включает интегрированный решатель электромагнитного поля. Это дает вам очень точные результаты импеданса с реальными печатными платами, а также поведение сигнала на фронтах нарастания и спада. Это хорошо учитывает сложные паразитные эффекты, которые не могут быть включены в модели цепей, и позволяет конструктору учитывать геометрии настройки длины вдоль связанных линий передачи.

Менеджер стека слоев и инструменты трассировки в Altium Designer® включают в себя решатель электромагнитного поля, который создает точный профиль импеданса для распространенных геометрий трасс. Это делает трассировку с контролируемым импедансом быстрой и простой, а также обеспечивает точность до суб-миллиметра при проектировании линий передачи. Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки плат, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.