高速 PCB 設計における特性インピーダンスの基本特性

高速 PCB 設計における特性インピーダンスの基本特性

高速設計では、多くの中国のエンジニアが、制御可能なインピーダンス プレートと回路の特性インピーダンスに戸惑っています。 このペーパーでは、シンプルで直感的な方法で、特性インピーダンスの基本的な特性、計算、および測定方法を紹介します。

高速設計において、可変インピーダンスプレートと回路の特性インピーダンスは、最も重要かつ一般的な問題の 1 つです。 まず、伝送線路の定義を理解しましょう。伝送線路は、一定の長さの 2 つの導体で構成され、1 つの導体を使用して信号を送信します。

もう 1 つは信号を受信するために使用されます (「ループ」が「グランド」の概念に置き換わることを思い出してください)。 多層基板では、各ラインは伝送ラインの一部であり、隣接する基準面は 2 番目のラインまたはループとして使用できます。 ラインが「優れた性能」の伝送ラインになるための鍵は、その特性インピーダンスをライン全体で一定に保つことです。

「可変インピーダンスボード」になるための鍵は、すべての回路の特性インピーダンスを指定された値 (通常は 25 オームから 70 オーム) を満たすことです。 多層回路基板では、優れた伝送直線性を実現するための鍵は、回路全体で特性インピーダンスを一定に保つことです。

しかし、特性インピーダンスとは何ですか？ 特性インピーダンスを理解する最も簡単な方法は、伝送中に信号が遭遇するものを確認することです。 同じ断面積の伝送線路に沿って移動する場合、これは図 1 に示すマイクロ波伝送に似ています。この伝送線路に 1 ボルトの電圧ステップ波が追加されたとします。 たとえば、1 ボルトのバッテリが伝送線路の前端に接続されます (伝送線路とループの間に配置されます)。 接続されると、この電圧波信号は光の速度でラインに沿って移動し、その速度は通常約 6 インチ/ナノ秒です。 もちろん、この信号は実際には伝送ラインとループ間の電圧差であり、伝送ラインの任意のポイントとループの隣接ポイントから測定できます。

Zen の方法は、「信号を生成」し、この伝送線に沿って 6 インチ/ナノ秒の速度で移動することです。 最初の 0.01 ナノ秒は 0.06 インチ進みます。 このとき、送信ラインには余分な正電荷があり、ループには余分な負電荷があります。 2 つの導体間の 1 ボルトの電圧差を維持するのは、これら 2 つの電荷の差であり、コンデンサを形成します。

次の 0.01 ナノ秒で、0.06 インチの伝送線路の電圧を 0 から 1 ボルトに調整します。 これには、送信ラインにプラスの電荷を追加し、受信ラインにマイナスの電荷を追加する必要があります。 0.06 インチの移動ごとに、より多くの正電荷を伝送線路に追加し、より多くの負電荷を回路に追加する必要があります。 0.01 ナノ秒ごとに、伝送線路の別のセクションを充電する必要があり、信号はこのセクションに沿って移動し始めます。 充電は、伝送ラインの前にあるバッテリーから行われます。 この線に沿って移動すると、伝送線の連続部分が充電され、伝送線とループの間に 1 ボルトの電圧差が形成されます。 0.01 ナノ秒ごとに、バッテリーからいくらかの電荷 (± Q) が得られます。 一定の時間間隔 (± t) 内にバッテリーから流れる一定の電気量 (± Q) が定電流です。 ループに流入する負の電流は、実際には流出する正の電流と等しく、信号波のちょうど前端にあります。 AC電流は、上部と下部のラインで構成されるコンデンサを通過して、サイクル全体を終了します。

ラインインピーダンス

バッテリの場合、信号が伝送線路に沿って移動すると、伝送線路セグメントは 0.01 ナノ秒ごとに 0.06 インチ継続的に充電されます。 電源から一定の電流が得られる場合、伝送線路はインピーダンスデバイスのように見え、そのインピーダンス値は一定であり、これを伝送線路の「サージインピーダンス」と呼ぶことができます。

同様に、信号がラインに沿って移動するとき、次のステップの前に 0.01 ナノ秒以内にこのステップの電圧を 1 ボルトに上げることができる電流はどれですか? これには、瞬時インピーダンスの概念が含まれます。

バッテリーの観点から、信号が安定した速度で伝送ラインに沿って移動し、伝送ラインが同じ断面積を持っている場合、同じ信号電圧を生成するために、0.01 ナノ秒ごとに同じ量の充電がさらに必要になります。

この線路に沿って移動すると、同じ瞬時インピーダンスが発生します。これは伝送線路の特性と見なされ、特性インピーダンスと呼ばれます。 信号の特性インピーダンスが伝送プロセスの各ステップで同じである場合、その伝送線路はインピーダンスが制御可能な伝送線路と見なすことができます。

瞬時インピーダンスまたは特性インピーダンスは、信号伝送の品質にとって非常に重要です。 伝送工程では、次工程のインピーダンスが前工程のインピーダンスと同じであれば作業はスムーズに進みますが、インピーダンスが変化すると問題が発生します。

最高の信号品質を達成するために、内部接続の設計目標は、信号伝送プロセス中にインピーダンスを可能な限り安定に保つことです。 まず、伝送線路の特性インピーダンスの安定性を維持する必要があります。 したがって、制御可能なインピーダンスプレートの製造がますます重要になっています。 また、信号伝送における瞬時インピーダンスの安定性を維持するために、余剰線路長の最小化、端子除去、全線路使用などの他の方法も使用されます。

特性インピーダンスの計算

単純な特性インピーダンス モデル: Z=V/I、Z は信号伝送プロセスの各ステップのインピーダンスを表し、V は信号が伝送線路に入るときの電圧を表し、I は電流を表します。 I=± Q/± t ここで、Q は電気量を表し、t は各ステップの時間を表します。

電力 (バッテリから): ± Q=± C × 5。C は静電容量を表し、V は電圧を表します。 静電容量は、伝送線路の単位長あたりの容量 CL と信号伝送速度 v から求めることができます。単位ピンの長さを速度とし、各ステップに必要な時間 t を掛けると、次の式が得られます。 ± C =CL × v × (±)t。 上記から、特性インピーダンスを得ることができます: Z=V/I=V/(± Q/± t)=V/(± C × V/±t)=V/(CL × v × (±)t ×V/±t)=1/(CL×v)

特性インピーダンスは、伝送線路の単位長さあたりの容量と信号伝送速度に関係していることがわかります。 特性インピーダンスを実際のインピーダンス Z と区別するために、Z の後に 0 を追加します。伝送線路の特性インピーダンスは、Z0=1/(CL × v) です。

伝送線路の単位長さあたりの容量と信号伝送速度が変わらなければ、伝送線路の特性インピーダンスも変わりません。 この簡単な説明は、静電容量の常識を新たに発見された特性インピーダンス理論と結び付けることができます。 伝送線路を太くするなど、伝送線路の単位長さあたりの容量を大きくすれば、伝送線路の特性インピーダンスを下げることができる。

特性インピーダンスの測定

バッテリーが伝送ラインに接続されている場合 (そのときのインピーダンスが 50 オームの場合)、3 フィートの長さの RG58 ケーブルに抵抗計を接続します。 無限インピーダンスの測定方法は？ 伝送ラインのインピーダンスは時間に依存します。 光ケーブルの反射時間よりも短い時間で光ケーブルのインピーダンスを測定すると、「サージ」インピーダンス、つまり特性インピーダンスが測定されます。 ただし、エネルギーが反射して受信されるまで十分な時間待つと、測定後にインピーダンスが変化することがわかります。 一般的に言えば、インピーダンス値は上下に跳ね返った後、安定した限界値に達します。

インピーダンス測定は、3 フィートの光ケーブルの場合、3 ナノ秒以内に完了する必要があります。 TDR (Time Domain Reflectometer) はこれを行うことができます。 伝送線路のダイナミックインピーダンスを測定できます。 3 フィートの光ケーブルのインピーダンスが 1 秒以内に測定される場合、信号は何百万回も反射するため、異なる「サージ」インピーダンスが得られます。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、高速 PCB 設計における特性インピーダンスの基本的な特性、計算、および測定方法について説明します。