Công cụ Tính toán Độ Trễ của Đường Truyền trong Thiết kế PCB

Đường truyền là một trong những thứ phức tạp một cách lừa dối, làm cho cuộc sống hiện đại trở nên có thể. Những gì trông giống như một sợi cáp kim loại đơn giản, thực tế, là một hệ thống được kỹ thuật một cách chính xác. Các đường mạch trên PCB cũng không khác biệt, chúng giống như các mạch máu cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử của bạn.

Vậy đường truyền là gì? Thuật ngữ này ban đầu được áp dụng để tạo ra sự tương đồng giữa các đường mạch trên một PCB và các đường dây điện dân dụng. Thuật ngữ “đường truyền” thường được sử dụng mà không có nhiều ngữ cảnh. Không phải tất cả các đường mạch trên PCB đều là đường truyền, và các quy tắc thiết kế cho đường truyền trở nên quan trọng trong một số trường hợp.

Liệu Các Đường Mạch của Tôi Có Phải Là Đường Truyền?

Thuật ngữ “đường truyền” ám chỉ đến hành vi của một đường mạch trên PCB hơn là cấu trúc của nó. Một đường mạch nhất định có thể hoạt động như một đường truyền dưới một số điều kiện trong khi hoạt động như một dẫn điện đơn giản trong các điều kiện khác.

Câu trả lời cho việc liệu các đường mạch của bạn có hoạt động như đường truyền phụ thuộc vào lượng thời gian mà tín hiệu mất để lan truyền xuống đường mạch. Thời gian này đã được gọi là độ trễ của đường, độ trễ lan truyền, hoặc độ trễ truyền tải, và tất cả các thuật ngữ này được sử dụng thay thế cho nhau.

Nếu độ trễ dòng trên đường dẫn của bạn dài hơn nhiều so với thời gian tăng của tín hiệu số di chuyển trên đường dẫn, thì đường dẫn sẽ hoạt động như một đường truyền tín hiệu. Đối với tín hiệu tương tự, thời gian tăng được xem là một phần tư của chu kỳ dao động của tín hiệu. Trong cả hai trường hợp, đường dẫn và các thành phần ở mỗi đầu cần được khớp trở kháng để ngăn chặn các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu.

Đường truyền điện

Máy tính trực tuyến về Đường truyền Tín hiệu

Nếu bạn muốn một cách nhanh chóng và dễ dàng để thiết kế các đường dẫn của mình có giá trị trở kháng cụ thể, bạn có thể sử dụng máy tính trực tuyến về đường truyền tín hiệu. Công cụ này có thể tính toán một số thông số quan trọng như đơn vị chiều dài mô tả đường dẫn của bạn cho các bố trí khác nhau, bao gồm microstrips, microstrips được nhúng, và đường dẫn stripline.

Một điều bạn sẽ bắt đầu nhận thấy là hầu hết các máy tính trực tuyến về đường truyền tín hiệu hoàn toàn bỏ qua sự phụ thuộc vào tần số của trở kháng đường truyền. Trên thực tế, có một ảnh hưởng do tần số, và ảnh hưởng này càng rõ rệt hơn tùy thuộc vào điện trở, điện dung, cảm kháng, và dẫn kháng trong hệ thống.

Trở kháng mà các tín hiệu tần số thấp gặp phải thường nhạy cảm hơn với sự thay đổi tần số so với trở kháng ở tần số cao. Một số máy tính trực tuyến về đường truyền không luôn cho phép bạn khám phá trở kháng ở tần số thấp và chúng thường giả định rằng bạn đang làm việc ở tần số cao.

Ở các tần số rất cao, như những tần số được sử dụng trong ứng dụng RF, sự phụ thuộc vào tần số này sẽ bão hòa thành một giá trị không đổi. Do đó, hầu hết các máy tính trực tuyến giả định rằng bạn đang làm việc ở tần số đủ cao để có thể bỏ qua sự phụ thuộc này.

Một kết quả quan trọng từ máy tính đường truyền là hằng số điện môi hiệu quả. Tham số này phụ thuộc vào kích thước của dấu vết, cũng như sự chênh lệch giữa hằng số điện môi của dẫn và nền. Tham số này đóng vai trò giống như chỉ số khúc xạ hiệu quả trong quang học sợi, nghĩa là nó xác định tốc độ tín hiệu truyền đi trên đường truyền.

Đây là nơi mà máy tính đường truyền trực tuyến cũng hữu ích. Một khi bạn có hằng số điện môi hiệu quả của mình, bạn có thể sử dụng nó để tính toán độ trễ đường dây trong các dấu vết của mình. Sau khi tính toán độ trễ đường dây và so sánh nó với thời gian tăng tín hiệu của bạn, bạn sẽ có câu trả lời liệu các dấu vết của mình có thực sự đang hoạt động như các đường truyền hay không.

Thiết kế điện tử với máy tính

Mô phỏng SPICE và Đường Truyền

Các bộ mô phỏng SPICE rất hữu ích để kiểm tra các vấn đề về độ tin cậy tín hiệu trong PCB, đặc biệt là trong các ứng dụng tốc độ cao, tần số cao, HDI, và dòng điện thấp. Không phải tất cả các mô phỏng SPICE đều trả lại giá trị trở kháng của các đường truyền tín hiệu một cách trực tiếp; chúng cho phép bạn chẩn đoán các vấn đề về độ tin cậy tín hiệu có thể phát sinh từ sự không khớp trở kháng giữa các đường dẫn và linh kiện. Các gói phần mềm thiết kế trực tuyến và để bàn cung cấp cho bạn quyền truy cập vào các mô phỏng SPICE.

Tất cả PCB đều có một số dung kháng và cảm kháng nhiễu do sự tách biệt của các yếu tố kim loại bởi điện môi của lớp nền. Khi làm việc với một mô phỏng SPICE, hiệu ứng của trở kháng nhiễu phải được mô hình hóa bằng cách thêm tụ điện và cuộn cảm ở các vị trí nối tiếp và song song trong mô hình mạch tương đương của bạn.

Một mô phỏng SPICE điển hình không bao gồm điều này một cách trực tiếp, và bạn sẽ phải thêm cuộn cảm và tụ điện vào các điểm chiến lược để tính đến phản ứng nhiễu nhiễu. Các bộ mô phỏng SPICE tiên tiến hơn tính đến điều này một cách trực tiếp. Bạn có thể tính toán trực tiếp dung kháng và cảm kháng nhiễu từ hằng số điện môi của lớp nền PCB và sắp xếp của các dẫn điện trên bảng mạch.

Kết quả từ một mô hình SPICE tốt là rất quan trọng vì nó cho phép bạn hình dung các vấn đề như hiện tượng rung, nhảy mát, sự không khớp tín hiệu do độ trễ truyền dẫn, và thậm chí cả sự cộng hưởng nhiễu. Chẩn đoán những vấn đề về tín hiệu trước khi sản xuất có thể giúp bạn tránh đặt hàng một lô bo mạch bị lỗi.

Kết quả này thường được hiển thị trên đồ thị điện áp (hoặc dòng điện) so với thời gian. Loại kết quả này cho phép bạn so sánh sức mạnh tín hiệu đầu vào và đầu ra, độ trễ truyền dẫn, và tính toàn vẹn của tín hiệu. Khi làm việc trong miền tần số, bạn có thể thấy hàm truyền định nghĩa mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra.

Altium Designer^®  có các công cụ mô phỏng và hoạt động trong một môi trường thiết kế theo quy tắc có thể giúp bạn tránh và chẩn đoán các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu. Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí và tìm hiểu xem Altium có phù hợp với bạn không. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay nếu bạn muốn biết thêm thông tin.