spela fångst med ett litet barn kan lära oss mycket om PCB design. Okej, du behöver inte tro mig men låt mig visa dig: att kasta bollen till en annan person i rätt hastighet och träffa målet kräver hand-öga-koordination, muskelstyrka och medvetenhet om grundläggande fysisk mekanik. De flesta av oss tänker inte mycket på att kasta, men för ett barn verkar det ibland som att ta tag i dessa grunder som att klättra på ett oöverstigligt berg.
PCB design kompetens är i själva verket ganska lika. Oavsett om det kartlägger var målplatser är eller lokaliserar särskilt problematiska eller sårbara sektioner, är tankeprocesserna parallella. Signaler måste också komma fram i tid och på mål. Grundläggande, lärobokskoncept som vi ibland tar för givet kan väcka stora när de ignoreras men kan också erbjuda lösningar.
Varför är impedans matchning viktigt? Felaktig Impedans orsakar problem
här är en nyhetsflash: PCB-design har blivit mer komplex. Oavsett om det är på konsument-eller industrimarknaden har höghastighets-och högfrekventa enheter blivit normen. Och det här är bara början.
när vi arbetar med dessa ultrahögfrekventa mönster måste vi redogöra för grunden. Som ett exempel blev impedansmatchning ofta en eftertanke för designteam som arbetar med lägre och medelfrekventa frekvenser. Impedansmatchning utmanar emellertid RF-och mikrovågskretsdesign eftersom fönstret för fel minskar när frekvensen ökar. Höghastighets digitala kretsar kräver mycket stabila kontrollerade impedanser på grund av påverkan på bitfelfrekvensen och potentialen för pulsförvrängning, reflektion och EMI.
korrekt kretsdrift beror på impedansmatchning—eller kretsens förmåga att effektivt överföra signaler från källan till dirigeringen och sedan från dirigeringen till lasten. Impedans—om den inte behandlas korrekt-har en anmärkningsvärt negativ inverkan på kretsens prestanda. Utan korrekt impedansmatchning kan reflektioner existera längs vägen från källan till lasten.
tills dämpning inträffar sprider signalerna glatt fram och tillbaka i spåret och stör den överförda signalen. Reflektioner och stående vågor i högfrekventa linjer blandas med önskade signaler—och bildar en häxas brygd av amplitud och fasförvrängning. De direkta resultaten av denna störning inkluderar datajitter och en minskning av signal-brusförhållandet. När avståndet från källan till belastningen ökar, orsakar stående vågor impedans för ebb och flöde.
Impedans matchande Fundamentals
bra PCB design kräver uppmärksamhet till fundamentals. När vi överväger impedansens inverkan på en krets måste vi överväga de grundläggande förhållandena mellan motstånd, reaktans och impedans.
medan du säkert kan handtesta dina individuella brädor, kan en SPICE simulator hjälpa till att påskynda saker.
alla vet att ett motstånd motsätter sig en stadig elektrisk ström och—som ett resultat—minskar energin. Reaktans mäter motståndet mot ström som orsakas av en kapacitans eller en induktans. Medan ett perfekt motstånd inte varierar med frekvens, får effekten av att ändra frekvenser på en kondensator eller en induktor induktiv (XL) eller kapacitiv (XC) reaktans att förändras med frekvensen för en AC-signal.
med alla dessa saker i åtanke, låt oss göra hoppet till impedans. Vi vet att impedans är den totala motsatsen till en enhet eller krets till flödet av en växelström. Dessutom vet vi också att impedansen hos en kondensator har ett omvänt proportionellt förhållande till kapacitans medan impedansen hos en induktor har ett direkt samband med induktans.
tillämpa syfte till Impedans kunskap
var all denna stora information om lärobok fundamentals ansluta till PCB design? Oavsett storleken på kretskortet bildar spåren överföringsledningar. Karakteristisk impedans (Zo) representerar den konstanta impedansen hos en linje utan reflekterande vågor. När en krets sänder en signal och överföringsvågorna når lasten, reser reflektionsvågor tillbaka till källan och transmissionsledningens ingångsimpedans ändras med tillsats av de reflekterade vågorna.
vårt mål med impedansmatchning är att få belastningsimpedansen att se ut som källimpedansen. För att uppnå effektiv signalöverföring måste vi träffa ett karakteristiskt impedansmål på 50-Aci-impedans – den söta platsen för effektiv signalöverföring. Få signalreflektioner uppstår. Goda PCB – designmetoder syftar till att uppnå en karakteristisk impedans på 50 kg vid överföringsledningskorsningar, komponentanslutningar och terminatorer.
att matcha impedanserna i hela kretsen ger ett önskat lågspänningsstående vågförhållande (VSWR). Låga VSWR-kretsar överför maximal effekt från källan till lasten. Det finns mer. Digitala kretsar ger önskad prestanda på grund av korta övergångstider och höga klockfrekvenser. Enheter och apparater har bättre kapacitet på grund av snabbare, sekventiell överföring av signaler. Ständigt ökande signalväxlingshastigheter kräver en annan titt på att kontrollera impedansen hos överföringsledningarna/PCB-spåren.
Kontrollimpedans tidigt med SPICE
kontroll av PCB-impedans börjar med att veta hur olika variabler påverkar kretsens prestanda. Dessa variabler inkluderar dielektrisk konstant, dielektrisk höjd, spårtjocklek, substrattjocklek och spårbredd. Låt oss tänka på dessa variabler för ett ögonblick. Var och en involverar fysisk geometri som producerar induktansen för enhetslängd.
med så många komponentval tillgängliga Kan design vara svårt att hantera.
nu börjar allt komma ihop. Den dielektriska konstanten är förhållandet mellan dielektrikets permittivitet och vakuumets permittivitet. Permittivity beskriver effekten av koppar på ett elektriskt fält och permittivity visar förmågan hos ett material att polarisera som svar på ett applicerat fält. Ökande polarisering i ett applicerat fält med en etablerad styrka får den dielektriska konstanten att öka.
med någon PCB kan spårdesignen eller materialet som används för spåret orsaka impedansvärden att förändras. Plötsliga förändringar i spårriktningen orsakar förändringar i impedans. Dielektrisk konstant kan också förändras över längden eller bredden på ett PCB-spår eller på grund av förändringar i frekvens och temperatur. Varje varians påverkar den karakteristiska impedansen hos en RF-krets. Förändringarna i impedans kan sänka signalförstärkningen, generera brus eller orsaka slumpmässiga fel.
en kontrollerad impedanslinje uppstår om en PCB-design har en specifik karakteristisk impedans över hela spårets längd. Eftersom kapacitans uppstår som en funktion av det dielektriska materialets relativa permittivitet kan vi styra impedansen med ett spår som har en enhetlig tvärsnittsgeometri och konsekvent permittivitet. Med ökningen av kapacitansen minskar den karakteristiska impedansen. När det gäller design påverkar förändringen i karakteristisk impedans våra impedansmatchningsfunktioner. Material med en lägre dielektrisk konstant kräver en ökning av ledarbredden för att bibehålla den karakteristiska impedansen och minska möjligheten till förlust.
med en stark layout programvara, kommer du att kunna arbeta genom impedans matchning tidigt i din design iterationer och skapa kretsar som är i grunden säkrare. Lyckligtvis har Cadence mer än tillräckligt för att säkerställa att dina design-och analysprocesser integreras med så lite störningar som möjligt. OrCAD låter dig ta dina mönster till nästa nivå i signalsäkerhet med sina starka simulerings-och analyssystem.
om du vill veta mer om hur Cadence har lösningen för dig, prata med oss och vårt team av experter.
om författaren
Cadence PCB solutions är ett komplett designverktyg fram och bak för att möjliggöra snabb och effektiv produktskapande. Cadence gör det möjligt för användare att exakt förkorta designcykler för att lämna till tillverkning genom modern, IPC-2581 industristandard.
Följ på Linkedin besök webbplatsen mer innehåll av Cadence PCB Solutions