Технология PCB - High-speed PCB design requires impedance matching

При проектировании высокоскоростных печатных плат мы будем понимать концепцию импеданса.Итак, зачем нам нужно контролировать импеданс при проектировании высокоскоростных печатных плат?Какие сигналы должны контролировать импеданс и как влияет отсутствие контроля согласования импеданса на наши схемы?

Что такое согласование импеданса

Согласование импеданса в основном используется на линиях передачи для достижения цели, при которой все высокочастотные микроволновые сигналы передаются в точку нагрузки, и ни один сигнал не отражается обратно в точку источника, так что входная секция и выходной конец нашей линии передачи находятся в состоянии согласования импеданса, называемом согласованием импеданса.

Непрерывность характеристического сопротивления (ρ) в основном зависит от стабильности соотношения распределенных параметров L0 и C0. Всем нам известен закон Ома: U=RI, где R - сопротивление или резистивная нагрузка в омах (Ω). Сопротивление связано с удельным сопротивлением (также известным как проводимость) металлических материалов, но в процессе передачи высокочастотного сигнала нам также необходимо понимать характеристики передачи физической среды (такой как витая пара, коаксиальный кабель, волновод), которая передает высокочастотные сигналы. Это отличается от низкочастотных сигналов. Эта характеристика передачи связана с проводящим материалом (таким как медь или серебро) среды передачи, проводимостью (удельным сопротивлением), геометрией (чаще всего цилиндрической), распределенной индуктивностью (L0), распределенной емкостью (C0), диэлектрической проницаемостью изоляционных материалов и т.д., в то время как эти распределенные параметры и при передаче низкочастотных сигналов часто не учитывается диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов.

Согласование полного сопротивления

Зачем нам нужно согласование импеданса?

Согласование импеданса может быть исключено при проектировании низкоскоростных печатных плат, но при проектировании высокоскоростных печатных плат для получения полных, надежных, точных сигналов передачи без помех и помехошумения необходимо обеспечить, чтобы характеристики схемы, обеспечиваемые печатной платой, гарантировали отсутствие искажений сигнала. отражаясь во время передачи, сигнал является полным, а потери при передаче невелики, что играет роль согласующего импеданса. Если ключевой сигнал не соответствует импедансу, это может привести к отражению сигнала, рикошету, потере и т.д., и изначально хорошая форма сигнала будет искажена, что напрямую повлияет на производительность и равномерное функционирование нашей схемы.

Какие факторы влияют на импеданс?

Обычно на импеданс влияют следующие факторы

(1) Er- диэлектрическая постоянная:

Диэлектрические постоянные различных плат также различны.

Распространенные в настоящее время материалы для изготовления плит включают бумажную основу (обычно известную как картон, пластиковая доска, доска V0, огнестойкая доска и т.д.), эпоксидную основу из стеклоткани (обычно известную как эпоксидная доска, стеклопластиковая доска, ДВП, FR4), композитную основу (обычно известную как порошковая доска и т.д., cemПлата -1 в некоторых местах Китая также называется 22F). В настоящее время в большинстве материалов для печатных плат используется FR-4. Характеристика Er этого материала меняется в зависимости от частоты загрузки. Когда рабочая частота ниже 1 ГГц, считается, что ее Er составляет около 4,2. При рабочей частоте 1,5-2,0 ГГц она будет незначительно снижаться, поэтому нам необходимо обращать внимание на рабочую частоту устройства в условиях его реального применения.

(2) H- Толщина диэлектрика:

Этот фактор оказывает наибольшее влияние на регулирование импеданса. Например, точность определения полного сопротивления очень высока, поэтому при проектировании этой детали следует стремиться к точности. Состав H из FR-4 состоит из различных полутвердых листов. Обычно наш диэлектрик делится на толщину диэлектрика внутренней платы с сердечником и толщину диэлектрика многослойной ламинированной платы.

(3) W- Ширина линии.:

В нашем проекте различная ширина линии также влияет на импеданс. Обычно мы анализируем и рассчитываем импеданс в соответствии с реальной ситуацией, чтобы получить соответствующую ширину линии.

(4) T- Толщина линии.:

Обычно уменьшение толщины линии может увеличить импеданс, а увеличение толщины линии может уменьшить импеданс.

Коэффициенты полного сопротивления

4. Какие существуют типы импедансных линий?

Обычно наши импедансные линии можно разделить на несимметричные и дифференциальные.В многослойных платах несимметричные и дифференциальные линии относятся к смежным слоям. Следует отметить, что при обработке радиочастотных линий будет производиться межслойная привязка, чтобы гарантировать, что радиочастотная антенна достигает наилучшей ширины линии и, следовательно, наилучшей производительности. Кроме того, для достижения эффекта согласования импедансов при проектировании наших двухслойных плат требуется копланарный импеданс.Так называемый копланарный импеданс означает, что несимметричная линия или дифференциальная линия, которая нуждается в согласовании импеданса, обычно применяется к медной фольге с обеих сторон сигнальной линии для достижения цели согласования импеданса.

На прилагаемом рисунке показана контрольная обработка промежуточного слоя радиочастотного несимметричного импеданса

(рисунок предназначен для шестислойной платы, антенна размещена на верхнем слое, а нижняя плоскость второго слоя в области антенны выдолблена)

5. Какие линии обычно нуждаются в регулировании импеданса и сколько ом импеданса вам нужно контролировать?

Не все линии имеют требования к согласованию импеданса. Только высокоскоростные линии нуждаются в регулировании импеданса. Значения импеданса разных сигналов различны. Дифференциальные сопротивления составляют 90ом, 100ом, 120ом и т.д. Как правило, для USB2.0 требуется управление импедансом 90om, HDMI, USB3.0, MIPI, сетевой порт 100M, гигабитный сетевой порт и т.д. управляются с помощью импеданса 100om, а RS422 обычно управляется с помощью импеданса 120om. Несимметричные линии обычно контролируют сопротивление 50 Ом?.

6. После завершения проектирования печатной платы, как вы обычно связываетесь с производителем печатных плат, чтобы сообщить им, какие линии нуждаются в согласовании импеданса?

После завершения проектирования печатной платы мы обычно объясняем соответствие импеданса вашей платы нашему производителю печатных плат в виде скриншотов. Как показано на рисунке ниже, выделите цветами сигнальные линии с разными значениями импеданса, а затем сделайте снимок экрана с текстовым описанием!

Согласование полного сопротивления

7. Почему характеристическое сопротивление USB составляет 90 Ом? USB-устройства просты в использовании, поддерживают горячее подключение и имеют высокую скорость работы. Они быстро нашли широкое применение в информационно-коммуникационных продуктах, таких как персональные компьютеры и мобильные устройства, и были распространены на другие смежные области, такие как фототехника, цифровые телевизоры (телевизионные приставки) и игровые консоли. Можно сказать, что USB в настоящее время является наиболее успешной технологией ввода-вывода, и с выходом текущего стандарта USB4 область применения USB-интерфейсов неизбежно расширится. Почему характеристическое сопротивление USB составляет 90 Ом, а не 50 Ом, 75 Ом для коаксиальных кабелей или 100 Ом для HDMI и Displayport?

Когда свет переходит из воздуха в воду, происходит отражение из-за различий в фотопроводимости. Аналогично, отражение происходит при передаче сигнала, когда изменяется характеристический импеданс.На низких частотах длина волны намного больше длины линии передачи, поэтому отражение не является проблемой. Однако на высоких частотах, когда длина волны соответствует длине линии, отражение может ухудшить качество сигнала. Согласование импеданса уменьшает отражение, обеспечивая целостность сигнала. Для высокоскоростной передачи данных, такой как USB, решающее значение имеет согласование дифференциального сопротивления 90 Ом. Без этого снижаются стабильность и скорость работы, что приводит к потенциальному искажению сигнала и повреждению из-за несоответствия импеданса.

Характеристический импеданс USB

Сигналы USB обычно представляют собой дифференциальные сигналы, состоящие из положительной и отрицательной фаз с разницей фаз между ними в 180 градусов.Это помогает подавлять синфазные помехи и увеличивает амплитуду сигнала.Существует два типа дифференциальных сигналов: плотное и слабое соединение.При слабом соединении плоскость заземления между трассами может уменьшить перекрестные помехи, в то время как при плотном соединении трассы могут находиться очень близко друг к другу.Дифференциальные сигналы в основном зависят от плоскости заземления в качестве обратных путей.Сопротивление коаксиального кабеля 50 Ом обычно используется в радиочастотных устройствах для обеспечения максимальной мощности передачи сигнала, для чего требуется, чтобы разъемы и печатные платы соответствовали сопротивлению 50 Ом.Однако USB определяет сопротивление 90 Ом на основе экспериментальных данных, хотя возможно и 100 Ом.Если импеданс не согласован, например, при 100-омной трассировке, возникнут проблемы с отражением сигнала и согласованием импеданса.