Làm thế nào để theo dõi PCB có trở kháng 50 ohm bất kể chiều dài và tần số tín hiệu?

Hmm, đây dường như chỉ là một câu hỏi khác về trở kháng đường truyền.

Tôi hiểu rằng khi chúng ta nói hiệu ứng "đường truyền", chúng ta nói về những thứ như nói chéo, phản xạ và đổ chuông (tôi đoán đó chỉ là về nó). Những hiệu ứng này không xuất hiện ở tần số thấp trong đó dấu vết PCB hoạt động như một phương tiện truyền dẫn "lý tưởng", giống như chúng ta mong đợi một dây sẽ hoạt động trong những ngày đầu đi học.

Tôi cũng hiểu rằng giá trị 50 ohm không đến từ điện trở đường dây sẽ rất nhỏ và dưới 1 ohm. Giá trị này xuất phát từ tỷ lệ L và C trên dòng. Thay đổi C bằng cách thay đổi chiều cao theo dõi trên mặt phẳng mặt đất hoặc thay đổi L bằng cách thay đổi độ rộng theo dõi sẽ thay đổi trở kháng của đường.

Chúng ta đều biết rằng phản ứng của L và C cũng phụ thuộc vào tần số tín hiệu. Bây giờ câu hỏi của tôi:

1. Tại sao chúng ta không nên gọi đây là phản ứng đường dây chứ không phải là trở kháng đường truyền?

2. Làm thế nào nó có thể chỉ là 50 ohm? Nó phải phụ thuộc tần số tín hiệu phải không? Ví dụ: 50 ohm ở 1 MHz

3. Thay vào đó, thế giới sẽ kết thúc nếu tôi chọn thực hiện theo dõi 100 ohm hoặc 25 ohm? Tôi biết rằng trong khi chúng tôi muốn nói 50 ohm là một con số ma thuật, nó sẽ nằm trong phạm vi khoảng 50 ohm và không chính xác là 50.0000 ohm.

4. Có bất cứ lúc nào khi điện trở thực tế của dấu vết PCB có thể có vấn đề?

Hãy xem công thức và mạch tương đương cho một đường truyền.

(1) Trở kháng hơn là phản ứng.

$R,L$$C$

$50\Omega$$R << j\omega L$$G \to 0$$\sqrt{L/C}$

$167\Omega$

$R$

Một đường truyền có độ tự cảm và điện dung phân phối dọc theo toàn bộ chiều dài của nó. Chúng ta có thể nghĩ về nó như vô số nhiều cuộn cảm và tụ điện nhỏ dọc theo đường dây:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Mỗi cuộn cảm phục vụ để giới hạn tốc độ mà tụ điện có thể sạc. Nhưng, khi chúng ta chia dòng thành nhiều phần, các cuộn cảm và tụ điện trở nên nhỏ hơn. Vì vậy, số lượng của chúng có vấn đề? Chúng ta có thể chọn chia đường truyền thành nhiều phân đoạn mà chúng ta muốn, từ một đến vô cùng. Vì vậy, chúng ta có thể làm cho các tụ điện và cuộn cảm nhỏ tùy ý.

Vì vậy, giá trị của các cuộn cảm và tụ điện này không phải là vấn đề. Thật vậy, chỉ có tỷ lệ điện cảm với điện dung mới là vấn đề, bởi vì điều này không thay đổi khi đường truyền được chia. Và nếu trở kháng đặc tính không thay đổi khi dòng được chia, thì nó cũng không thay đổi khi chúng ta làm cho nó dài hơn.

Thêm vào những gì Phil nói:

Bây giờ hãy tưởng tượng mọi thứ bắt đầu ở 0 Volts và Ampe trong chuỗi cuộn cảm và tụ điện dài này, sau đó bạn đặt một bước điện áp ở một đầu. Cách các cuộn cảm làm chậm cách các tụ điện được tích điện, một dòng điện ổn định sẽ chảy, sẽ tỷ lệ thuận với điện áp bạn đặt vào. Vì bạn có điện áp và dòng điện tỷ lệ với điện áp đó, bạn có thể chia hai để tìm kháng mimicks đường truyền vô hạn này. Trong thực tế, đối với một đường truyền vô hạn lý tưởng, bạn không thể biết sự khác biệt giữa đường truyền và điện trở từ bên ngoài.

Tuy nhiên, tất cả chỉ hoạt động nếu bước điện áp có thể tiếp tục truyền xuống đường truyền. Nhưng, và đây là khoảnh khắc aha , nếu bạn có một đường dây ngắn nhưng đặt một điện trở của điện trở đặc trưng đi qua đầu của nó, nó sẽ xuất hiện như một đường truyền vô hạn ở đầu kia. Làm điều này được gọi là chấm dứt đường truyền.

Jim đã có một câu trả lời rất tốt. Để mở rộng trên một số, tuy nhiên:

2) 50 Ohms là 50 Ohms (loại). Hằng số điện môi của vật liệu IS phụ thuộc tần số một chút. Do đó, chiều cao và chiều rộng theo dõi bạn chọn cho 1 GHz sẽ là trở kháng hơi khác nhau ở mức 10 GHz (nếu bạn cần lo lắng về sự khác biệt, có lẽ bạn đã biết về sự khác biệt!)

4) Đối với vật liệu PCB FR4 tiêu chuẩn, tổn thất điện môi sẽ trở thành mối lo ngại khoảng 0,5 đến 1 GHz. Tuy nhiên, CHỐNG LẠI trở nên quan trọng khi bạn có các dòng hiện tại cao hơn. Ví dụ: Nếu bạn có 1 Ampe trên một vệt rộng 6 triệu đồng 1 oz cho chiều dài 1 inch, thì đó là 1 Ohms kháng. Bạn sẽ giảm khoảng 0,1V và nhiệt độ khoảng 60C. Nếu bạn không thể xử lý mức giảm 0,1V đó, rõ ràng bạn cần mở rộng dấu vết hoặc làm dày đồng.

Theo nguyên tắc thông thường, nếu bạn có chiều dài dưới 1 inch, hầu hết các điện trở DC có thể bị bỏ qua.

Có một lời giải thích vẫy tay đơn giản tại sao trở kháng hiệu quả của đường truyền (lý tưởng) là một hằng số. Các giải thích khác để lại một số nhầm lẫn về cách chúng tôi "chọn" Li và Ci trong mô hình đường truyền. Những Li và Ci chính xác là gì?

Đầu tiên, một khi chúng ta nói "đường truyền", chúng ta đang nói về dây dài. Bao lâu? Dài hơn chiều dài của sóng điện từ được truyền dọc theo đường dây. Do đó, chúng ta đang nói hoặc về đường rất dài (dặm), hoặc một tần số rất cao. Nhưng khái niệm bước sóng liên quan đến chiều dài dấu vết về cơ bản là rất quan trọng.

Bây giờ, như mọi người đã đề cập, một dấu vết có độ tự cảm nhất định trên mỗi đơn vị chiều dài , và, tương ứng, điện dung nhất định, lại tỷ lệ thuận với chiều dài . Những L và C này là điện cảm và điện dung trên mỗi đơn vị chiều dài . Vì vậy, độ tự cảm thực tế của một đoạn dây sẽ là L = L * chiều dài; tương tự cho C .

Bây giờ hãy xem xét một sóng hình sin đi vào dấu vết. Sóng truyền đi với tốc độ ánh sáng (đặc biệt là môi trường điện môi / không khí, tốc độ khoảng 150ps / inch). Tại mọi thời điểm, độ lệch điện tích cụ thể (dạng sóng) tương tác với một phần của dây bằng với độ dài tương ứng của sóng này. Tần số chậm hơn có độ dài sóng dài hơn, trong khi các thành phần tần số nhanh hơn có độ dài ngắn hơn tương ứng. Vậy chúng ta có gì? Sóng dài hơn "nhìn thấy" một dấu vết dài hơn và do đó L lớn hơn và điện dung C lớn hơn . Các sóng ngắn hơn (tần số cao hơn) "nhìn thấy" độ dài đường hiệu quả ngắn hơn, và do đó L và C nhỏ hơn . Vì vậy, cả L và C hiệu quảtỷ lệ với bước sóng. Vì trở kháng của đường truyền là Z0 = SQRT ( L / C ), sự phụ thuộc của L và C vào chiều dài hủy bỏ và đó là lý do tại sao các sóng có tần số khác nhau "nhìn thấy" cùng trở kháng Z0.