Hướng dẫn Thiết kế PCB về Điều khiển Trở kháng Trong Quá trình Định tuyến PCB

Vào tháng 6 năm 1831, Sir James Clark Ross đã phát hiện ra Cực Bắc Từ trên bán đảo Boothia ở phía Bắc Canada. Mặc dù thuật ngữ “phát hiện” có vẻ chỉ ra rằng Cực Bắc Từ là cố định, thực tế thì Cực Bắc và Cực Nam Từ đều di chuyển liên tục. Từ trường Trái Đất thay đổi theo thời gian và khi những thay đổi đó xảy ra, vị trí của các cực cũng thay đổi. Với tốc độ di chuyển 55 km mỗi năm, chúng ta có thể có một ý nghĩa khác cho “chuyến tàu Bắc Cực”.

Khi làm việc qua việc di chuyển tín hiệu trong PCB của bạn, tuy nhiên, bạn có thể không có thời gian, tiền bạc, hoặc năng lượng để lo lắng về việc đầu tư di chuyển từ một đầu cực này sang đầu cực kia. Việc định tuyến và độ rộng của dấu vết là quan trọng để ghi nhớ; tuy nhiên, các dấu vết trên mặt đất của bảng mạch của bạn có thể khiến việc theo dõi trở kháng vi sai trở nên khó khăn. Học thêm về cách tận dụng tối đa phần mềm thiết kế PCB của bạn cho việc định tuyến và điều khiển trở kháng có thể giúp ích.

Khám phá Trở Kháng Phức Tạp

Về khái niệm trở kháng, khái niệm "cực" liên quan đến một loại khám phá khác. Trở kháng phức tạp là một công cụ quan trọng khi làm việc với các mạch AC nhiều thành phần. Thay vì sử dụng sin và cos để biểu diễn điện áp và dòng điện trong những mạch đó, chúng ta có thể biểu thị trở kháng dưới dạng một số mũ phức tạp hoặc . Trở kháng hoạt động như tỷ lệ điện áp/dòng điện cho một số mũ phức tạp đơn lẻ tại một tần số cụ thể.

Từ đó, chúng ta có thể biểu thị trở kháng của từng thành phần mạch dưới dạng số thực hoặc số ảo thuần túy. Với điều này, trở kháng phản ứng thuần ảo của một cuộn cảm lý tưởng là:

Trong khi đó, trở kháng phản ứng thuần ảo của một tụ điện lý tưởng xuất hiện như sau:

Chuyển sang số thực hoặc ảo đòi hỏi sử dụng một mặt phẳng phức tạp với điện trở dọc theo trục thực. Tại đây, giá trị phản ứng của tụ điện và cuộn cảm trở thành các số ảo. Trở kháng ảo cung cấp thành phần phản ứng của trở kháng và cho phép chúng ta đánh giá sự thay đổi về pha xảy ra do phản ứng.

Với sự kết hợp của các thành phần RL và RC theo dãy, chúng ta có thể cộng giá trị của các thành phần như các thành phần của một vectơ. Dưới dạng số phức, những giá trị đó có cùng đơn vị với điện trở.

Hình thức Cực của Trở kháng Phức tạp

Dạng cực của biểu thức phức tạp cho mạch RL và RC được hiển thị như một hệ tọa độ hai chiều, minh họa mối quan hệ giữa biên độ và pha của điện áp và dòng điện. Mỗi điểm trên mặt phẳng là một khoảng cách nhất định từ một điểm tham chiếu và một góc nhất định từ một hướng tham chiếu. Điểm tham chiếu đóng vai trò như cực, trong khi tia từ cực theo hướng tham chiếu được gọi là trục cực. Khoảng cách từ cực bằng tọa độ bán kính hoặc bán kính, trong khi góc đại diện cho góc cực.

Trong dạng cực, độ lớn của trở kháng phức tạp bằng tỷ lệ của biên độ điện áp với biên độ dòng điện. Pha của trở kháng phức tạp bằng sự lệch pha của dòng điện so với điện áp. Dưới dạng phương trình, trở kháng được biểu diễn như sau:

Độ lớn đại diện cho tỷ lệ của biên độ chênh lệch điện áp so với biên độ dòng điện. Đối số Ɵ cho biết sự chênh lệch pha giữa điện áp và dòng điện, trong khi đại diện cho đơn vị ảo. Sử dụng dạng cực cho trở kháng phức tạp giúp đơn giản hóa việc nhân và chia các đại lượng trở kháng.

Việc có khả năng lên kế hoạch cho các đường dẫn của bạn để kiểm soát trở kháng PCB là cần thiết

Kiểm Soát Trở Kháng PCB

Cuộc thảo luận ngắn gọn của chúng tôi về trở kháng phức tạp và dạng cực của trở kháng phức tạp nhấn mạnh cả độ phức tạp toán học khi tính toán trở kháng lẫn những vấn đề khó khăn mà chúng ta gặp phải trong việc kiểm soát trở kháng trong thiết kế PCB. Với các mạch đa lớp tần số cao bao gồm nhiều vias và nhánh hoạt động như đường truyền, vấn đề càng trở nên khó khăn hơn do khả năng phản xạ năng lượng giữa nguồn và tải. Bất kể loại hoặc độ phức tạp của mạch, việc truyền tải tín hiệu tối đa chỉ xảy ra nếu tất cả trở kháng dọc theo đường dẫn tín hiệu đều khớp nhau.

Sử dụng thực hành thiết kế tốt nhất trong bảng mạch của bạn có thể giúp đảm bảo rằng các đường dẫn của bạn được định tuyến đúng cách và trở kháng có thể được khớp chính xác. Để khớp trở kháng đầu ra của nguồn, trở kháng của đường dẫn, và trở kháng đầu vào của tải:

• Khớp trở kháng của linh kiện
• Đo các đặc tính của đường dẫn như chiều dài, chiều rộng, và độ dày
• Sử dụng microstrips để đạt được trở kháng mong muốn

Định Tuyến Trở Kháng Kiểm Soát và Altium Designer^®

Altium Designer cho phép bạn phân tích độ ổn định tín hiệu của thiết kế PCB ngay từ giai đoạn chụp sơ đồ. Bạn cũng có thể định nghĩa các mạch cung cấp và sử dụng menu Công cụ để cung cấp trung bình trở kháng đường dẫn và độ dài đường đi. Altium Designer cung cấp một giải pháp đơn giản cho việc khớp trở kháng các thành phần trong thiết kế của bạn. Bạn cũng có thể phân tích sự phản xạ trên các mạch được chọn và thử nghiệm với các giá trị terminator khác nhau.

Để xác định trở kháng định tuyến, bạn có thể sử dụng một trong hai công thức tìm thấy trong Altium Designer. Công thức đầu tiên cho phép bạn xác định trở kháng đặc trưng của một microstrip, trong khi công thức thứ hai cung cấp công thức trở kháng đặc trưng cho một stripline. Cả hai phương trình đều hiển thị độ dày điện môi, chiều rộng định tuyến và hằng số điện môi của vật liệu điện môi.

Hãy tin tưởng phần mềm thiết kế PCB của bạn để giúp lập bản đồ các đường dẫn của bạn một cách hiệu quả và hiệu quả

Altium Designer càng làm đơn giản hóa nhiệm vụ này với tùy chọn Độ Rộng Trở Kháng Đặc Trưng của nó. Với tùy chọn này, bạn có thể thiết lập quy tắc Thiết kế Độ Rộng Định Tuyến trong Trình chỉnh sửa Quy tắc và Ràng buộc PCB và sau đó nhập vào trở kháng yêu cầu của bạn. Tùy chọn Độ Rộng Trở Kháng Đặc Trưng tự động chuyển đổi các trở kháng yêu cầu thành độ rộng cho mỗi lớp tín hiệu. Được điều khiển tương tác, tính năng định tuyến trở kháng của Altium Designer tự động điều chỉnh độ rộng đường dẫn cho trở kháng yêu cầu.

Để tìm hiểu thêm về việc điều khiển đường dẫn trở kháng và ghép nối trở kháng linh kiện cho thiết kế PCB tốc độ cao của bạn, hãy trao đổi với một chuyên gia tại Altium Designer.