Jouer avec un jeune enfant peut nous en apprendre beaucoup sur la conception de circuits imprimés. D’accord, vous n’avez pas à me croire, mais laissez-moi vous montrer: lancer la balle à une autre personne à la bonne vitesse et toucher la cible nécessite une coordination œil-main, une force musculaire et une connaissance des mécanismes physiques fondamentaux. La plupart d’entre nous ne pensent pas beaucoup au lancer, mais pour un enfant, saisir ces fondamentaux semble parfois ressembler à gravir une montagne insurmontable.
L’ensemble des compétences de conception de PCB est, en fait, assez similaire. Qu’il s’agisse de cartographier les emplacements cibles ou de localiser des sections particulièrement problématiques ou vulnérables, les processus de réflexion sont parallèles. Les signaux doivent également arriver à temps et sur la cible. Les concepts fondamentaux et manuels que nous tenons parfois pour acquis peuvent prendre de l’ampleur lorsqu’ils sont ignorés, mais peuvent également offrir des solutions.
Pourquoi l’adaptation d’impédance est-elle importante ? Une impédance inadéquate Cause des problèmes
Voici un flash d’actualité: la conception des PCB est devenue plus complexe. Que ce soit sur le marché de la consommation ou de l’industrie, les appareils haute vitesse et haute fréquence sont devenus la norme. Et ce n’est que le début.
Lorsque nous travaillons avec ces conceptions à ultra-haute fréquence, nous devons tenir compte des fondamentaux. Par exemple, l’adaptation d’impédance est souvent devenue une réflexion après coup pour les équipes de conception travaillant avec des fréquences basses et moyennes. Cependant, l’adaptation d’impédance remet en question la conception des circuits RF et hyperfréquences car la fenêtre d’erreur diminue à mesure que la fréquence augmente. Les circuits numériques à grande vitesse nécessitent des impédances contrôlées très stables en raison de l’impact sur le taux d’erreur binaire et du potentiel de distorsion des impulsions, de réflexion et d’IEM.
Le bon fonctionnement du circuit dépend de l’adaptation d’impédance — ou de la capacité du circuit à transférer efficacement les signaux de la source vers le routage, puis du routage vers la charge. L’impédance — si elle n’est pas traitée correctement – a un impact remarquablement négatif sur les performances du circuit. Sans adaptation d’impédance appropriée, des réflexions peuvent exister le long du trajet de la source à la charge.
Jusqu’à ce que l’atténuation se produise, les signaux se propagent allègrement dans la trace et interfèrent avec le signal transmis. Les réflexions et les ondes stationnaires dans les lignes à haute fréquence se mélangent aux signaux souhaités – et forment un mélange de distorsion d’amplitude et de phase. Les résultats directs de cette interférence incluent une gigue de données et une réduction du rapport signal sur bruit. À mesure que la distance entre la source et la charge augmente, les ondes stationnaires provoquent un reflux et un écoulement de l’impédance.
Fondamentaux de l’adaptation d’impédance
Une bonne conception de circuits imprimés nécessite une attention particulière aux fondamentaux. Lorsque nous considérons l’impact de l’impédance sur un circuit, nous devons considérer les relations fondamentales entre la résistance, la réactance et l’impédance.
Bien que vous puissiez certainement tester à la main vos cartes individuelles, un simulateur d’ÉPICES pourrait aider à accélérer les choses.
Tout le monde sait qu’une résistance s’oppose à un courant électrique constant et, par conséquent, réduit l’énergie. La réactance mesure l’opposition au courant provoquée par une capacité ou une inductance. Bien qu’une résistance parfaite ne varie pas en fonction de la fréquence, l’impact du changement de fréquences sur un condensateur ou une inductance provoque un changement de réactance inductive (XL) ou capacitive (XC) avec la fréquence d’un signal alternatif.
Avec toutes ces choses à l’esprit, faisons le saut vers l’impédance. Nous savons que l’impédance est l’opposé total d’un dispositif ou d’un circuit au flux d’un courant alternatif. De plus, on sait également que l’impédance d’un condensateur a une relation inversement proportionnelle à la capacité tandis que l’impédance d’une inductance a une relation directe avec l’inductance.
Application du but à la connaissance de l’impédance
Où toutes ces excellentes informations sur les fondamentaux des manuels scolaires se connectent-elles à la conception de circuits imprimés? Peu importe la taille du PCB, les traces forment des lignes de transmission. L’impédance caractéristique (Zo) représente l’impédance constante d’une ligne sans ondes réfléchissantes. Lorsqu’un circuit transmet un signal et que les ondes de transmission atteignent la charge, les ondes de réflexion reviennent à la source et l’impédance d’entrée de la ligne de transmission change avec l’ajout des ondes réfléchies.
Notre objectif avec l’adaptation d’impédance est de faire en sorte que l’impédance de charge ressemble à l’impédance de la source. Pour obtenir un transfert de signal efficace, nous devons atteindre une cible d’impédance caractéristique d’impédance de 50 Ω – le point idéal pour un transfert de signal efficace. Peu de réflexions de signal se produisent. Les bonnes pratiques de conception de circuits imprimés visent à obtenir une impédance caractéristique de 50 Ω aux jonctions de lignes de transmission, aux connexions de composants et aux terminaisons.
L’adaptation des impédances dans tout le circuit donne un rapport d’onde stationnaire basse tension (ROS) souhaité. Les circuits VSWR bas transfèrent la quantité maximale d’énergie de la source à la charge. Il y a plus. Les circuits numériques offrent les performances souhaitées en raison des temps de transition courts et des fréquences d’horloge élevées. Les appareils et les appliances ont de meilleures capacités en raison du transfert plus rapide et séquentiel des signaux. L’augmentation constante des vitesses de commutation du signal nécessite un autre regard sur le contrôle de l’impédance des lignes de transmission / traces de PCB.
Contrôler l’impédance tôt avec SPICE
Contrôler l’impédance des circuits imprimés commence par savoir comment différentes variables affectent les performances du circuit. Ces variables comprennent la constante diélectrique, la hauteur diélectrique, l’épaisseur de trace, l’épaisseur du substrat et la largeur de trace. Réfléchissons un instant à ces variables. Chacun implique une géométrie physique qui produit l’inductance unitaire.
Avec autant de choix de composants disponibles, la conception peut être difficile à gérer.
Maintenant, tout commence à se réunir. La constante diélectrique est le rapport de la permittivité du diélectrique à la permittivité d’un vide. La permittivité décrit l’effet du cuivre sur un champ électrique et la permittivité montre la capacité d’un matériau à se polariser en réponse à un champ appliqué. L’augmentation de la polarisation dans un champ appliqué d’une force établie entraîne une augmentation de la constante diélectrique.
Avec n’importe quel circuit imprimé, la conception de la trace ou les matériaux utilisés pour la trace peuvent faire changer les valeurs d’impédance. Des changements soudains dans la direction de la trace provoquent des changements d’impédance. La constante diélectrique peut également changer sur la longueur ou la largeur d’une trace de PCB ou en raison de changements de fréquence et de température. Chaque variance affecte l’impédance caractéristique d’un circuit RF. Les changements d’impédance peuvent réduire le gain du signal, générer du bruit ou provoquer des erreurs aléatoires.
Une ligne d’impédance contrôlée se produit si une conception de PCB a une impédance caractéristique spécifique sur toute la longueur d’une trace. Parce que la capacité se produit en fonction de la permittivité relative du matériau diélectrique, nous pouvons contrôler l’impédance avec une trace qui a une géométrie de section transversale uniforme et une permittivité cohérente. Avec l’augmentation de la capacité, l’impédance caractéristique diminue. En termes de conception, le changement d’impédance caractéristique affecte nos capacités d’adaptation d’impédance. Les matériaux à constante diélectrique inférieure nécessitent une augmentation de la largeur du conducteur pour maintenir l’impédance caractéristique et réduire les risques de perte.
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À propos de l’auteur
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