Trở kháng Đường truyền: Sáu Giá trị Quan trọng

Khi xem xét các giá trị trở kháng đường truyền khác nhau, trở kháng đặc trưng và trở kháng vi sai thường nổi bật như hai giá trị quan trọng vì chúng thường được quy định trong các tiêu chuẩn tín hiệu. Tuy nhiên, thực sự có sáu giá trị trở kháng đường truyền quan trọng trong thiết kế PCB. Đôi khi có bảy, tùy thuộc vào sách giáo khoa hoặc bài báo kỹ thuật bạn đọc.

Phương trình trở kháng đặc trưng có thể dễ dàng tìm thấy trong một số bài báo và sách giáo khoa, nhưng các giá trị trở kháng đường truyền phổ biến khác thì khó tính toán hơn. Lý do cho sự khó khăn này là nó phụ thuộc vào sự sắp xếp của nhiều đường truyền và sức mạnh của sự kết nối giữa chúng. Giá trị trở kháng điển hình khác là trở kháng đầu vào, phụ thuộc vào chiều dài của đường dây và bất kỳ sự không khớp trở kháng nào.

Giá Trị Trở Kháng Đường Truyền

Dưới đây là các giá trị trở kháng đường truyền quan trọng cần hiểu như một phần của thiết kế và định tuyến PCB.

Trở Kháng Đặc Trưng

Nếu bạn Google cụm từ “trở kháng đường truyền”, định nghĩa về trở kháng đặc trưng là kết quả bạn có khả năng nhìn thấy trên trang đầu tiên của kết quả tìm kiếm. Hầu hết các nhà thiết kế có lẽ đã quen thuộc với trở kháng đặc trưng vì nó được định nghĩa trong mô hình mạch tập trung. Mô hình này trả về công thức phổ biến sau cho trở kháng đặc trưng:

Ở tần số cao đủ hoặc với tổn thất thấp đủ, trở kháng đặc trưng trở nên hoàn toàn điện trở và hội tụ về giá trị sau:

Trở kháng đặc trưng của đường truyền tín hiệu ở giới hạn tần số cao.

Lưu ý rằng hiệu ứng bề mặt đã được bỏ qua ở đây, điều này áp dụng đến khoảng ~1 GHz băng thông cho tín hiệu số. Bạn có thể suy ra các giá trị của L và C từ độ trễ truyền và trở kháng đặc trưng bằng cách sử dụng các công thức tiêu chuẩn cho các hình dạng dấu vết khác nhau. Sau đó, bạn có thể sử dụng các giá trị mạch này để tối ưu hóa chiều rộng dấu vết và độ tự cảm của bạn và giảm thiểu hiện tượng rung chuyển động.

Trở kháng đặc trưng đôi khi được gọi là “trở kháng xung” và liên quan đến thuật ngữ “tải trở kháng xung.” Thuật ngữ này thường được các kỹ sư hệ thống điện sử dụng để định lượng công suất truyền qua một đường dây truyền tải và nhìn thấy tại một tải.

Trở kháng Chế độ Chẵn và Chế độ Lẻ

Hai đường truyền tín hiệu nằm gần nhau đủ mức độ sẽ trải qua sự ghép nối điện dung và từ cảm. Sự ghép nối này thường xác định crosstalk, nhưng nó cũng thay đổi trở kháng mà các tín hiệu trên mỗi đường dây nhìn thấy. Khi các đường dây ghép nối được kích hoạt ở chế độ chung (cùng độ lớn, cùng cực tính), trở kháng chế độ chẵn là trở kháng mà một tín hiệu di chuyển trên một đường truyền tín hiệu trong cặp nhìn thấy. Một định nghĩa tương tự được áp dụng khi các đường dây được kích hoạt ở chế độ sai biệt (cùng độ lớn, cùng cực tính):

Lưu ý rằng các giá trị trở kháng đường truyền chế độ chẵn và lẻ được định nghĩa dựa trên các tham số Z cho một cặp đường truyền ghép nối:

Ma trận Z (còn được gọi là các tham số trở kháng) có thể dễ dàng chuyển đổi thành các tham số S. Nó cũng có thể được tổng quát hóa cho nhiều đường truyền ghép nối với chế độ chung hoặc chế độ sai biệt. Hãy xem PDF này để biết các phương trình cần thiết để chuyển đổi tham số Z hoặc giá trị trở kháng đặc trưng thành các tham số S.

Trở Kháng Chế Độ Chung và Sai Biệt

Các giá trị trở kháng chế độ chung và chế độ khác biệt liên quan đến các giá trị trở kháng chế độ chẵn và chế độ lẻ. Các giá trị trở kháng chế độ khác biệt thường được chỉ định cho việc khớp trở kháng của cặp tín hiệu khác biệt, thay vì trở kháng chế độ lẻ. Trở kháng của cặp tín hiệu khác biệt phụ thuộc vào trở kháng đặc trưng và khoảng cách giữa mỗi đầu của cặp tín hiệu khác biệt. Điều tương tự áp dụng cho trở kháng chế độ chung, ngoại trừ trở kháng chế độ chung phát sinh dưới dạng lái chế độ chung.

Về mặt vật lý, trở kháng chế độ khác biệt là trở kháng được đo giữa hai đường truyền tín hiệu kết nối khi cặp được lái trong chế độ khác biệt. Tương tự, trở kháng chế độ chung là trở kháng được đo giữa hai đường truyền tín hiệu kết nối khi cặp được lái trong chế độ chung.

Trở Kháng Đầu Vào

Giá trị trở kháng đường truyền này quan trọng trong việc khớp trở kháng và có thể được sử dụng để định lượng khi một đường truyền đã vượt qua chiều dài quan trọng; hãy xem bài viết liên kết để xem bạn có thể định lượng sự không khớp trở kháng cho phép như thế nào. Không lặp lại mọi thứ trong bài viết đó, trở kháng đầu vào phụ thuộc vào trở kháng đặc trưng, hằng số truyền sóng, trở kháng tải, và chiều dài của đường truyền tín hiệu:

Máy Tính Trở Kháng Đường Truyền Tích Hợp

Một số phương trình được trình bày ở đây, và những phương trình này mô tả các tình huống lý tưởng không tính đến hình dạng phức tạp của một PCB thực tế. Tuy nhiên, chúng vẫn là một điểm khởi đầu tốt khi thiết kế đường truyền tín hiệu. Các mô hình mạch có thể được sử dụng để ước lượng sự ghép nối giữa các đường dây dưới dạng dung lượng và cảm ứng tương hỗ, từ đó có thể được sử dụng để xác định các giá trị trở kháng chẵn/lẻ và chung/khác biệt.

Khi bạn cần các tính toán trở kháng đường truyền tín hiệu cực kỳ chính xác, bạn cần sử dụng một phương pháp có trình giải quyết trường điện từ tích hợp. Điều này mang lại kết quả trở kháng rất chính xác với PCB thực, cũng như hành vi tín hiệu ở các cạnh tăng và giảm. Điều này một cách đẹp đẽ tính đến các yếu tố nhiễu phức tạp không thể được đưa vào mô hình mạch, và nó cho phép một nhà thiết kế tính đến các hình dạng điều chỉnh chiều dài dọc theo chiều dài của các đường truyền tín hiệu ghép nối.

Trình quản lý lớp chồng và công cụ định tuyến trong Altium Designer® bao gồm một trình giải quyết trường điện từ có khả năng tạo ra hồ sơ trở kháng chính xác cho các hình dạng dấu vết phổ biến. Điều này làm cho việc định tuyến trở kháng kiểm soát trở nên nhanh chóng và dễ dàng, và nó cung cấp cho bạn độ chính xác dưới mil khi thiết kế đường truyền. Bây giờ bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.