Viðnám er hversu mikið rás þolir AC merki, þar með talið viðnám auk rafgeymis og spóluáhrifa, þannig að það breytist með tíðni. Þessi grein tengir flókið viðnám við hegðun PCB-spora, fjallar um einkenni og stýrt viðnám, reiknitól, skref-fyrir-skref mat, TDR/VNA athuganir, endurvarp og samsvörun, algenga ósamræmingarstaði og PDN/með viðnámi.
Viðnám sem algjör andstaða við AC merki
Viðnám er heildarmótstaða rásar við riðstraum (AC). Hún víkkar út hugmyndina um viðnám með því að bæta við áhrifum þétta og spóla, sem geyma og losa orku. Vegna þessa breytist viðnám með tíðni, þar sem segul- og rýmdunaráhrif aukast eða minnka þegar merkið verður hægara eða hraðara.
Í jöfnum er viðnám skrifað sem Z og mælt í ohmum (Ω), rétt eins og viðnám. Fyrir einfalt rað-RLC rás:
Z = R + jωL− jωC
þar sem:
• R er viðnám
• L er segul
• C er rýmd
• ω = 2π f er horntíðni, og f er tíðni merkisins
Viðnám miðað við viðnám í AC og DC rásum
| Þáttur | Viðnám (R) | Viðnám (Z) |
|---|---|---|
| Skilgreining | Andstaða við jafnstraum (DC) | Andstaða við breytingu á riðstraumi (AC) |
| Íhlutir sem koma við sögu | Kemur frá viðnámum | Kemur frá viðnámum, þéttum og spólum |
| Tíðniháð | Helst óbreytt þegar tíðni breytist (ef hitastig er stöðugt) | Breytist eftir því sem tíðni merkisins hækkar eða lækkar |
| Stærðfræðilegt form | Rauntala | Flókin tala: Z = R + jX , sameinar viðnám og viðbragð |
| Fasasamband | Spenna og straumur halda takti við hvort annað | Spenna og straumur geta leitt hvort annað eða seinkað hvort öðru |
| Hlutverk í hegðun PCB | Hefur áhrif á stöðugt rafmagnstap og upphitun | Hefur áhrif á gæði merkisins, endurvarp, tímasetningu og EMI |
| Hvernig það er mælt | Mælt með ómmæli eða einföldum jafnstraumsprófum | Mælt með AC prófunartólum eins og viðnámsgreiningartækjum, TDR eða VNA |
Flókin viðnám og raunverulegir og hvarfgjarnir hlutar þess
Viðnám í riðstraumsrásum kallast flókið viðnám vegna þess að það hefur tvo hluta: raunverulegan hluta R og hvarfgjarna hluta X. Raunverulegi hlutinn virkar eins og viðnám og breytir raforku í hita. Viðbragðshlutinn kemur frá spólum og þéttum, sem geyma og losa orku eftir því sem merkið breytist.
Aðleiðsluviðbragð eykst með tíðni, á meðan rafgeymisviðbragð minnkar eftir því sem tíðnin eykst. Saman mynda þau grunnjöfnuna fyrir viðnám:
Z = R + jX
Viðnámshegðun yfir mismunandi tíðnir
Viðnám breytist þegar tíðni merkisins breytist, svo sama rás getur hagað sér öðruvísi við lágar, miðlungs og háar tíðnir:
• Lágar tíðnir
Þéttar virka næstum eins og bil og spólur virka næstum eins og stuttar tengingar. Viðnám er að mestu ákvarðað af viðnámi og litlum lekaleiðum.
• Miðtíðnir
Viðbragð þétta og spóla getur jafnað hvort annað. Ómun kemur fram þegar ωL ≈1ωC, sem veldur toppum eða lækkunum í viðnámi ∣Z∣
• Háar tíðnir
Sníkjuvökva og rýmd frá sporum, víum og pökkum ráða ríkjum. Smávægilegar breytingar á uppsetningu geta breytt viðnámi, og að meðhöndla rásina sem dreift kerfi gefur betri niðurstöður en einföld einföld líkön.
Einkennisviðnám í PCB-rásum og flutningslínum
Þegar merki skipta hratt eða brautir eru langar, byrja PCB-línur að haga sér eins og flutningslínur. Hver bein, jöfn braut hefur einkennandi viðnám Z₀, sem fer eftir lögun brautarinnar og efnum plötunnar, ekki hversu löng brautin er. Að samræma þetta viðnám eftir leiðinni hjálpar merkjum að ferðast án mikilla endurvarpa.
Algeng markmiðsgildi eru 50 Ω fyrir einhliða spor og um 90–100 Ω fyrir mismunapör, eftir staðli viðmótsins. Helstu þættirnir sem ákvarða einkennandi viðnám PCB-spors eru sýndir í töflunni hér að neðan.
| Þáttur | Áhrif á einkennisviðnám (Z₀) |
|---|---|
| Sporbreidd (W) | Breiðari spor → neðri (Z₀) |
| Snefilþykkt (T) | Þykkari kopar → aðeins lægri (Z₀) |
| Einangrunarhæð (H) | Stærri hæð til viðmiðunarflatar → hærra (Z₀) |
| Dielektrískur fasti (Er) | Hærra (Er) → lægra (Z₀) |
| Umlykjandi kopar | Nálægur málmur lækkar (Z₀) og eykur tengingu |
| Gerð byggingar | Microstrip, stripline og coplanar uppsetningar gefa mismunandi (Z₀) vegna þess að sviðslögun breytist |
Stýrt viðnám í PCB-merkjum
Stýrð viðnáms PCB er sú þar sem ákveðnar brautir eru skipulagðar og smíðaðar þannig að viðnám þeirra haldist nálægt markmiðsgildi, eins og 50 Ω ± 10%. Þetta kemur í veg fyrir að háhraða- og RF-merki breytist of mikið þegar þau ferðast eftir borðinu.
Stýrt viðnám er algengt á háhraða raðtengingum (eins og PCIe, USB, HDMI, DisplayPort, Ethernet), mismunapörum (LVDS, CML, TMDS), RF merkileiðum og loftnetum, auk nákvæmra klukkulína og næmra hliðræna leiða. Þessar leiðir hafa sérstakar reglur, svo viðnám þeirra helst innan þröngs sviðs.
Fyrir þessi net innihalda PCB byggingarathugasemdir markviðnám (einhliða og mismun), hvaða net þurfa stjórn, fyrirhugaða staflana (efni, þykkt og díelektrískir fastar), leyfða þolmörk (svo sem ±5% eða ±10%) og hvort viðnámsprófunarkóðar séu nauðsynlegir á hverju spjaldi.
Aðferðir og verkfæri til útreiknings viðnáms
| Aðferð | Þegar það er notað | Nákvæmni | Kostir | Gallar |
|---|---|---|---|---|
| Handformúlur | Fljótlegar athuganir og gróf áætlun | Miðlungs | Fljótur í notkun, engin hugbúnaður nauðsynlegur | Notar einföld form, hunsar mörg smá áhrif |
| Netreiknivélar | Snemma leiðaskipulag og staflan | Gott | Auðvelt í notkun, styður oft algengar PCB-gerðir | Takmarkaðar stillingar, innbyggðar forsendur sem þú getur ekki breytt |
| 2D sviðslausnarar | Að stilla mikilvægar brautir og lög | Mjög hátt | Líkön, raunveruleg sporform og mörg efni | Þarf vandaða uppsetningu og meiri tölvutíma |
| 3D EM hermar | Að rannsaka tengi, via-kerfi og pakka | Frábært | Fangar fulla 3D smáatriði og tengingu | Erfiðara að læra, langir hermitímar |
| Rásar-/SPICE-verkfæri | Athugun á fullum merkileiðum og gæðum | Fer eftir gögnum | Inniheldur drifara, spor og hleður saman | Þarf nákvæm líkön og S-breytur |
Skref-fyrir-skref flæði til að meta sporviðnám
Finndu bandbreidd merkisins
Byrjaðu á gagnahraða eða aðal klukku tíðni og taktu eftir hæsta gagnlega tíðni fmax.
Áætla upphafstímann
Notaðu einföldu regluna:
TR ≈ 0,35/hámark
Þetta gefur grófa hugmynd um hversu hratt brúnir merkisins eru.
Reiknaðu gagnrýna lengd
Áætlaðu hversu langt hraður brún ferðast með:
lcrit ≈ TR × VP
þar sem vp er útbreiðsluhraði merkisins á PCB-laginu.
Veldu staflalag
Veldu lagið þar sem sporið mun liggja og taktu eftir einangrunarefni og hæðinni frá sporinu að viðmiðunarplaninu.
Notaðu reiknivél til að finna viðnám
Settu inn sporbreidd (W), koparþykkt (T), díelektriskan hæð (H) og díelektríska fastann εrinto viðnámsreiknivél. Stilltu breidd eða val á lagi þar til útreiknaða Z0 passar við viðnám marksins.
Sett leiðarreglur
Vistaðu valda brautarbreidd sem reglur í PCB uppsetningartólinu þínu svo brautirnar haldist nálægt fyrirhuguðu viðnámi.
Mæling á viðnámi á raunverulegum prentplötum með TDR og VNA
Þetta staðfestir að breiddir, efni og þykkt laga héldust nálægt áætluninni. Tvö algeng verkfæri til að mæla viðnám á raunverulegum borðum eru:
• Tíma-dómins endurvarpsmælir (TDR)
TDR sendir mjög hraðan púls inn í spor með þekktu viðmiðunarviðnámi. Hún fylgist með endurkastunum yfir tíma og tengir þær við staðsetningar eftir sporinu. Þetta sýnir hvar viðnám breytist, til dæmis við vias, tengi, beygjur eða breiddarfærslur. TDR prófanir eru oft framkvæmdar á sérstökum viðnámsmiðum sem settir eru á hverja töflu.
• Vigragreiningartæki (VNA)
VNA mælir S-breytur yfir tíðnisvið. Úr þessum getur það dregið út viðnám, endurkasttap og innsetningartap. Þetta er gagnlegt fyrir RF-línur, síur, loftnet og afldreifikerfi þar sem tíðnihegðun skiptir miklu máli.
Viðnámsjafnvægi og endurvarp á háhraða brautum
Þegar álagsviðnámið ZL er frábrugðið einkennandi viðnámi línunnar Z₀, endurkastast hluti merkisins meðfram brautinni. Þessi endurvarp er lýst með endurvarpsstuðlinum:
Γ=(ZL −Z₀)/(ZL+Z₀)
Áhrif á bylgjuformið
•Γ =0 : fullkomin samsvörun, engin endurspeglun
• ∣ Γ ∣ nálægt 1: sterk endurkast, eins og nálægt opnu eða stuttu
• Miðgildi ∣ Γ ∣: hlutendurkast sem mótar merkið aftur
| Samsvörunaraðferð | Lýsing |
|---|---|
| Uppsprettuviðnám | Lítið viðnám er sett í röð með drifinu til að hægja á brúninni og passa betur við línuviðnámið |
| Samhliða ending | Viðnám frá línu til jarðar eða að aðfangabraut við álagið til að passa (Z₀) |
| Thevenin-lokun | Tveir viðnámar mynda deilu við álagið, þannig að viðnámið sem sést passar við línuviðnámið |
| AC tenging + tenging | Raðþétti í línunni plús viðnám við álagið, sem samræmir viðnám á meðan DC |
Algengar viðnámsvandamál og lagfæringar á PCB
| Staðsetning | Hvernig viðnám verður ósamræmt | Einfaldar lagfæringar |
|---|---|---|
| Tenglar og snúruskipti | Skyndilegar breytingar á lögun snefilsins og díelektrískum vökva valda því að Z₀ færist | Notaðu tengi með stýrðu viðnámi og haltu viðmiðunarflötum samfelldum |
| Vias á háhraðanetum | Hver via bætir við aukinni segul- og rýmdargetu; Með því að stubbar gera það verra | Takmarkaðu fjölda via, boraðu bakbora ónotaða via-hluta og stilltu mótpúða |
| Flatarskiptingar og útskurðir | Endurstraumur er þrýstur í kringum bil, sem eykur lykkjusegul | Forðastu að leiða yfir klofning; bættu við saumsvias eða þéttum ef þörf er á |
| Háls-niður og púðaskipti | Þröngar brautir eða langar púðar breyta staðbundnu viðnámi Z₀ | Notaðu stuttar, sléttar mjókkanir og haltu púðalengdum og bili stöðugum |
| Ósamhverfa í mismunapörum | Ójafnt bil eða umhverfi breytir viðnámi hverrar línu | Haltu bilinu þéttu og jafnu, haltu bilunum stöðugum og passaðu saman pöralengdir |
PDN og með viðnámi í fjöllaga prentplötum
Rafdreifikerfi (PDN) og via-kerfi hafa einnig viðnám sem mótar hávaða, bylgju og merki gæði í fjöllaga borðum. Flatarpör virka eins og dreifðir rafgeymar og flutningslínur, á meðan vias bæta við raðsegul og rýmd í nærliggjandi flöt.
| Þáttur | PDN flötspar | Merki eða afl í gegnum |
|---|---|---|
| Hlutverk | Dreifir DC- og AC straumum yfir allt | Tengir lög til að flytja merki eða rafmagn á milli þeirra |
| Æskilegt viðnám | Mjög lágt yfir nauðsynlegu tíðnisviði | Nálægt viðnámi brautarinnar sem það tengist |
| Helstu höfundar | Flatarbil, flatarmál og aftengdir rafgeymar | Með lengd, gatþvermáli og stærðum púða/mótpúða |
| Tíðnihegðun | Planið og þéttiuppsetningin skapa sveiflur | Lítur út fyrir að vera meira segul við háa tíðni, með þéttni til flata |
| Hönnunarmarkmið | Haltu viðnámi lágu og flötu til að draga úr falli og hávaða | Haltu leiðinni stuttri, lágri segul og forðastu langa með stuttum |
Niðurstaða
Viðnám hefur áhrif á lögun merkis, tímasetningu, endurvarp og rafeindastuðul á prentplötum. Flókið viðnám sýnir raunverulega og hvarfvirka hluta, og tíðnibreytingar, sem áhrifin ráða ríkjum. Þegar brautir virka sem flutningslínur, leiðbeina einkenni og stýrðu viðnámi stærð og bili á brautum. Field solvers, TDR og VNA staðfesta niðurstöður. Gættu að via-um, tengjum, planbilum og púðum til að draga úr ósamræmi og hávaða.
Algengar spurningar [Algengar spurningar]
Hvað segir viðnámsfasahornið þér?
Hún segir til um hvort rásin sé viðnám (nálægt 0°), segul (jákvæð) eða rafgeymd (neikvæð).
Af hverju helst raunverulegur þéttir ekki "lágviðnám" við háa tíðni?
ESL hennar tekur yfir sjálfsresonans, svo viðnámið byrjar að hækka eins og spóla.
Hvað er PDN markviðnám?
Þetta er PDN mörk fyrir spennufall: Ztarget = ΔV / ΔI.
Hvað gera áhrif húðar og díaelektrískur tap við háa tíðni?
Skin effect eykur AC viðnám. Dielektrískt tap eykur merkitap.
14,5 Hvað er odd-mode viðnám?
Þetta er viðnámið sem sést þegar mismunapör bera jafn stór og gagnstæð merki.
Hvaða breytingar á stýrðu viðnámi eftir framleiðslu?
Dielektrísk þykkt, koparþykkt og snefiletslögun breyta lokaviðnáminu.
