Varža yra tai, kiek grandinė priešinasi kintamosios srovės signalams, įskaitant varžą ir kondensatoriaus bei induktoriaus efektus, todėl ji keičiasi priklausomai nuo dažnio. Šis straipsnis susieja sudėtingą varžą su PCB pėdsakų elgesiu, apimančiu būdingą ir kontroliuojamą varžą, skaičiavimo įrankius, žingsnis po žingsnio įvertinimą, TDR / VNA patikrinimus, atspindžius ir atitikimą, įprastas neatitikimo vietas ir PDN / per varžą.
Varža kaip visiškas pasipriešinimas kintamosios srovės signalams
Varža yra bendra priešprieša, kurią grandinė suteikia kintamajai srovei (AC). Jis išplečia varžos idėją, pridedant kondensatorių ir induktorių, kurie kaupia ir išskiria energiją, poveikį. Dėl šios priežasties varža keičiasi priklausomai nuo dažnio, nes indukcinis ir talpinis poveikis didėja arba mažėja, kai signalas tampa lėtesnis ar greitesnis.
Lygtyse varža rašoma kaip Z ir matuojama omais (Ω), kaip ir varža. Paprastos serijos RLC grandinei:
Z = R + jωL− jωC
čia:
• R yra pasipriešinimas
• L yra induktyvumas
• C yra talpa
• ω = 2π f yra kampinis dažnis, o f yra signalo dažnis
Varža, palyginti su varža kintamosios ir nuolatinės srovės grandinėse
| Aspektas | Varža (R) | Varža (Z) |
|---|---|---|
| Apibrėžimas | Priešinimasis pastoviai nuolatinei srovei (DC) | Prieštaravimas kintamosios srovės (AC) keitimui |
| Susijusios sudedamosios dalys | Ateina iš rezistorių | Gaunamas iš rezistorių, kondensatorių ir induktorių |
| Priklausomybė nuo dažnio | Išlieka toks pat kaip dažnio pokyčiai (jei temperatūra stabili) | Keičiasi didėjant arba mažėjant signalo dažniui |
| Matematinė forma | Tikrasis skaičius | Kompleksinis skaičius:Z = R + jX , derinant varžą ir reaktyvumą |
| Fazių ryšys | Įtampa ir srovė neatsilieka viena nuo kitos | Įtampa ir srovė gali vesti arba atsilikti viena nuo kitos |
| Vaidmuo PCB elgesyje | Turi įtakos pastoviems galios nuostoliams ir šildymui | Turi įtakos signalo kokybei, atspindžiams, laikui ir EMI |
| Kaip jis matuojamas | Matuojama ommetru arba paprastais nuolatinės srovės bandymais | Matuojama kintamosios srovės bandymo įrankiais, tokiais kaip varžos analizatoriai, TDR arba VNA |
Sudėtinga varža ir jos realiosios bei reaktyviosios dalys
Varža kintamosios srovės grandinėse vadinama sudėtinga varža, nes ją sudaro dvi dalys: tikroji R dalis ir reaktyvioji X dalis. Tikroji dalis veikia kaip pasipriešinimas ir elektros energiją paverčia šiluma. Reaktyvioji dalis gaunama iš induktorių ir kondensatorių, kurie kaupia ir išskiria energiją keičiantis signalui.
Indukcinis reaktyvumas didėja su dažniu, o talpinis reaktyvumas mažėja didėjant dažniui. Kartu jie sudaro pagrindinę varžos lygtį:
Z = R + jX
Varžos elgesys skirtingais dažniais
Varža keičiasi keičiantis signalo dažniui, todėl ta pati grandinė gali elgtis skirtingai žemais, vidutiniais ir aukštais dažniais:
• Žemi dažniai
Kondensatoriai veikia beveik kaip tarpai, o induktoriai veikia beveik kaip trumpos jungtys. Varžą dažniausiai lemia pasipriešinimas ir maži nuotėkio keliai.
• Vidutiniai dažniai
Kondensatorių ir induktorių reaktyvumas gali panaikinti vienas kitą. Rezonansas atsiranda, kai ωL ≈1ωC, sukeldamas varžos dydžio smailes arba kritimus ∣Z∣
• Aukšti dažniai
Dominuoja parazitinis induktyvumas ir talpa iš pėdsakų, vias ir pakuočių. Nedideli išdėstymo pakeitimai gali pakeisti varžą, o grandinės traktavimas kaip paskirstyta sistema duoda geresnių rezultatų nei paprasti vienkartiniai modeliai.
Būdinga varža PCB pėdsakuose ir perdavimo linijose
Kai signalai greitai persijungia arba pėdsakai ilgi, PCB pėdsakai pradeda elgtis kaip perdavimo linijos. Kiekvienas tiesus, vienodas pėdsakas turi būdingą varžą Z₀, kuri priklauso nuo pėdsakų formos ir plokštės medžiagų, o ne nuo pėdsako ilgio. Šios varžos suderinimas kelyje padeda signalams keliauti be stiprių atspindžių.
Bendros tikslinės vertės yra 50 Ω viengaliams pėdsakams ir apie 90–100 Ω diferencialinėms poroms, priklausomai nuo sąsajos standarto. Pagrindiniai veiksniai, nustatantys būdingą PCB pėdsako varžą, parodyti žemiau esančioje lentelėje.
| Veiksnys | Poveikis būdingajai varžai (Z₀) |
|---|---|
| Pėdsakų plotis (W) | Platesnis pėdsakų → mažesnis (Z₀) |
| Pėdsakų storis (T) | Storesnis varis → šiek tiek mažesnis (Z₀) |
| Dielektrinis aukštis (H) | Didesnis aukštis iki atskaitos plokštumos → didesnis (Z₀) |
| Dielektrinė konstanta (Er) | Didesnis (Er) → mažesnis (Z₀) |
| Aplinkinis varis | Netoliese esantis metalas sumažina (Z₀) ir padidina sukabinimą |
| Konstrukcijos tipas | Mikrojuostelių, juostinių linijų ir koplanarinių išdėstymų išdėstymas skiriasi (Z₀), nes keičiasi lauko forma |
Kontroliuojama varža PCB signaluose
Kontroliuojamos varžos PCB yra tokia, kurioje suplanuoti ir pastatyti tam tikri pėdsakai, kad jų varža išliktų artima tikslinei vertei, pvz., 50 Ω ± 10%. Tai neleidžia didelės spartos ir RF signalams per daug keisti formą, kai jie keliauja palei lentą.
Kontroliuojama varža yra įprasta didelės spartos nuosekliosiose jungtyse (pvz., PCIe, USB, HDMI, DisplayPort, Ethernet), diferencialinėse porose (LVDS, CML, TMDS), RF signalo keliuose ir antenose, taip pat tiksliose laikrodžio linijose ir jautriuose analoginiuose pėdsakuose. Šiems keliams suteikiamos specialios taisyklės, todėl jų varža išlieka nedideliame diapazone.
Šių tinklų PCB konstrukcijos pastabose nurodoma tikslinė varža (vieno galo ir diferencialas), kuriuos tinklus reikia valdyti, planuojamas krūva (medžiagos, storis ir dielektrinės konstantos), leistinas nuokrypis (pvz., ±5% arba ±10%) ir tai, ar kiekviename skydelyje reikalingi varžos bandymo kuponai.
Varžos skaičiavimo metodai ir įrankiai
| Metodas | Kai jis naudojamas | Tikslumas | Argumentai "už" | Minusai |
|---|---|---|---|---|
| Rankų formulės | Greiti patikrinimai ir apytikslis planavimas | Vidutinis | Greitas naudojimas, nereikia jokios programinės įrangos | Naudoja paprastas formas, nepaiso daugybės mažų efektų |
| Internetiniai skaičiuotuvai | Ankstyvas maršruto parinkimas ir kaupimo planavimas | Geras | Lengva naudoti, dažnai palaiko įprastus PCB tipus | Riboti nustatymai, įtaisytosios prielaidos, kurių negalite pakeisti |
| 2D lauko sprendikliai | Svarbių pėdsakų ir sluoksnių derinimas | Labai didelis | Modeliuoja tikras pėdsakų formas ir daugybę medžiagų | Reikia kruopščiai nustatyti ir daugiau laiko kompiuteriui |
| 3D EM simuliatoriai | Jungčių, vių ir paketų tyrimas | Puiku | Užfiksuoja visas 3D detales ir sujungimą | Sunkiau išmokti, ilgas modeliavimo laikas |
| Grandinės / SPICE įrankiai | Visų signalo kelių ir kokybės tikrinimas | Priklauso nuo duomenų | Apima tvarkykles, pėdsakus ir krovinius kartu | Reikia tikslių modelių ir S parametrų |
Žingsnis po žingsnio srautas pėdsakų varžai įvertinti
Raskite signalo pralaidumą
Pradėkite nuo duomenų perdavimo spartos arba pagrindinio laikrodžio dažnio ir atkreipkite dėmesį į didžiausią naudingą dažnį fmax.
Įvertinkite kilimo laiką
Naudokite paprastą taisyklę:
tr ≈ 0,35/maks.
Tai leidžia apytiksliai suprasti, kaip greitai yra signalo kraštai.
Apskaičiuokite kritinį ilgį
Įvertinkite, kiek toli nukeliauja greitas kraštas:
lcrit ≈ tr × vp
kur vp yra signalo sklidimo greitis PCB sluoksnyje.
Pasirinkite krūvos sluoksnį
Pasirinkite sluoksnį, kuriame eis pėdsakas, ir atkreipkite dėmesį į dielektrinę medžiagą bei aukštį nuo pėdsako iki atskaitos plokštumos.
Norėdami rasti varžą, naudokite skaičiuotuvą
Įveskite pėdsakų plotį (W), vario storį (T), dielektrinį aukštį (H) ir dielektrinę konstantą εrinį varžos skaičiuoklę. Koreguokite pėdsakų plotį arba sluoksnio pasirinkimą, kol apskaičiuotas Z0 atitiks jūsų tikslinę varžą.
Nustatykite maršruto parinkimo taisykles
Išsaugokite pasirinktą pėdsakų plotį kaip taisykles savo PCB išdėstymo įrankyje, kad pėdsakai liktų arti planuojamos varžos.
Varžos matavimas tikrose PCB su TDR ir VNA
Tai patvirtina, kad pėdsakų plotis, medžiagos ir sluoksnio storis išliko arti plano. Du įprasti įrankiai varžai matuoti tikrose plokštėse yra šie:
• Laiko srities reflektometras (TDR)
TDR siunčia labai greitą impulsą į pėdsaką su žinoma etalonine varža. Jis stebi atspindžius laikui bėgant ir susieja juos su pozicijomis palei pėdsaką. Tai atskleidžia, kur keičiasi varža, pvz., ties via, jungtimis, posūkiais ar pločio poslinkiais. TDR testai dažnai atliekami naudojant specialius varžos kuponus, dedamus ant kiekvieno skydelio.
• Vektorinio tinklo analizatorius (VNA)
VNA matuoja S parametrus dažnių diapazone. Iš jų jis gali išgauti varžą, grąžinimo nuostolius ir įterpimo nuostolius. Tai naudinga RF linijoms, filtrams, antenoms ir energijos paskirstymo tinklams, kur dažnio elgesys vaidina svarbų vaidmenį.
Varžos suderinimas ir didelio greičio pėdsakų atspindžiai
Kai apkrovos varža ZL skiriasi nuo linijos būdingos varžos Z₀, dalis signalo atsispindi išilgai pėdsako. Šis atspindys apibūdinamas atspindžio koeficientu:
Γ=(ZL −Z₀)/(ZL+Z₀)
Poveikis bangos formai
•Γ =0 : tobulas atitikimas, nėra atspindžio
• ∣ Γ ∣ arti 1: stiprus atspindys, pvz., beveik atviras arba trumpas
• Vidutinės ∣ Γ ∣ vertės: daliniai atspindžiai, kurie keičia signalą
| Atitikimo metodas | Aprašymas |
|---|---|
| Šaltinio serijos rezistorius | Mažas rezistorius dedamas nuosekliai su vairuotoju, kad sulėtintų kraštą ir geriau atitiktų linijos varžą |
| Lygiagretus nutraukimas | Rezistorius nuo linijos iki žemės arba prie tiekimo bėgio, kad apkrova atitiktų (Z₀) |
| Thevenin nutraukimas | Du rezistoriai sudaro daliklį ties apkrova, todėl matoma varža atitinka linijos varžą |
| Kintamosios srovės jungtis + nutraukimas | Serijinis kondensatorius linijoje plius rezistorius prie apkrovos, atitinkantis varžą blokuojant nuolatinę srovę |
Dažniausios PCB varžos problemos ir pataisymai
| Vieta | Kaip varža nesutampa | Paprasti pataisymai |
|---|---|---|
| Jungtys ir kabelių perėjimai | Staigūs pėdsakų formos ir dielektriko pokyčiai sukelia Z₀ pasislinkimą | Naudokite reguliuojamos varžos jungtis ir ištisines atskaitos plokštumas |
| Vias ant greitaeigių tinklų | Kiekvienas per prideda papildomo induktyvumo ir talpos; per stubs pabloginti jį | Apribokite vių skaičių, nenaudojamą atgal gręžkite sekcijomis ir sureguliuokite antitrinkeles |
| Plokštumos padalijimai ir išpjovos | Grįžtamoji srovė verčiama aplink tarpus, didinant kilpos induktyvumą | Venkite maršruto per padalijimus; Jei reikia, pridėkite susiuvimo vias arba kondensatorius |
| Kaklo ir pagalvėlių perėjimai | Siauri pėdsakai arba ilgos trinkelės keičia vietinę charakteristikų varžą Z₀ | Naudokite trumpus, lygius kūginius ir išlaikykite vienodą trinkelių ilgį ir tarpus |
| Asimetrija diferencialinėse porose | Nevienodi tarpai ar aplinka keičia kiekvienos linijos varžą | Laikykitės mažų ir lygių tarpų, laikykite pastovius tarpus ir suderinkite poros ilgius |
PDN ir per varža daugiasluoksnėse PCB
Energijos paskirstymo tinklai (PDN) ir vias taip pat turi varžą, kuri formuoja triukšmą, virpėjimą ir signalo kokybę daugiasluoksnėse plokštėse. Plokštumų poros veikia kaip paskirstyti kondensatoriai ir perdavimo linijos, o vias prideda nuoseklų induktyvumą ir talpą aplinkinėms plokštumoms.
| Aspektas | PDN lėktuvų pora | Signalas arba maitinimas per |
|---|---|---|
| Vaidmuo | Paskirsto nuolatinės ir kintamosios srovės maitinimo sroves | Sujungia sluoksnius, kad tarp jų būtų perduodami signalai arba galia |
| Norima varža | Labai žemas virš reikiamo dažnių diapazono | Arti pėdsako, prie kurio jis jungiasi, varžai |
| Pagrindiniai įnašai | Tarpai tarp plokštumų, plokštumų plotas ir atjungimo kondensatoriai | Pagal ilgį, skylės skersmenį ir pagalvėlių / antitrinkelių dydžius |
| Dažnio elgsena | Plokštumos ir kondensatoriaus išdėstymas sukuria rezonansus | Atrodo labiau indukcinis aukštu dažniu, su talpa į lėktuvus |
| Dizaino tikslai | Laikykite varžą mažą ir plokščią, kad sumažintumėte nukritimą ir triukšmą | Laikykite kelią trumpą, mažą induktyvumą ir venkite ilgų per stubs |
Išvada
Varža turi įtakos signalo formai, laikui, atspindžiams ir EMI PCB. Sudėtinga varža rodo realias ir reaktyvias dalis bei dažnio poslinkius, kurie dominuoja. Kai pėdsakai veikia kaip perdavimo linijos, būdinga ir kontroliuojama varža nukreipia pėdsakų dydį ir tarpus. Lauko sprendikliai, TDR ir VNA patvirtina rezultatus. Priežiūra prie vias, jungtys, plokštumos tarpai ir trinkelės sumažina neatitikimus ir triukšmą.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Ką jums sako varžos fazės kampas?
Tai parodo, ar grandinė yra varžinė (arti 0°), indukcinė (teigiama), ar talpinė (neigiama).
Kodėl tikras kondensatorius neišlieka "mažos varžos" esant aukštam dažniui?
Jo ESL perima virš savirezonanso, todėl varža pradeda kilti kaip induktorius.
Kas yra PDN tikslinė varža?
Tai yra PDN riba įtampos kritimui: Ztarget = ΔV / ΔI.
Ką veikia odos efektas ir dielektrinis praradimas esant aukštam dažniui?
Odos poveikis padidina atsparumą kintamajai srovei. Dielektriniai nuostoliai padidina signalo praradimą.
Kas yra nelyginio režimo varža?
Tai varža, matoma, kai diferencialinė pora perduoda vienodus ir priešingus signalus.
Kokie poslinkiai kontroliuoja varžą po pagaminimo?
Dielektrinis storis, vario storis ir pėdsakų ėsdinimo forma keičia galutinę varžą.
