Як слід відстежувати друковану плату, має опір 50 Ом незалежно від довжини та частоти сигналу?

Гм, це, здається, лише чергове питання щодо лінійних опорів.

Я розумію, що коли ми говоримо про ефекти "лінії передачі", ми говоримо про такі речі, як перехресні розмови, роздуми та дзвінки (я думаю, що це саме про це). Ці ефекти відсутні на низьких частотах, де слід PCB поводиться як "ідеальний" носій передачі, більше, як ми очікуємо, що провід буде вести себе в наші шкільні дні.

Я також розумію, що значення 50 Ом походить не від опір лінії, який буде дуже малим і менше 1 Ом. Це значення походить від співвідношення L і C на лінії. Зміна C, змінюючи висоту сліду над площиною основи або змінюючи L, змінюючи ширину сліду, має змінювати опір лінії.

Всі ми знаємо, що реактивність L і C також залежить від частоти сигналу. Тепер мої запитання:

1. Чому ми не можемо називати це лише реактивністю лінії, а не опором лінії?

2. Як це може бути всього 50 Ом? Це має бути залежно від частоти сигналу, правда? Наприклад, 50 Ом на 1 МГц

3. Чи закінчиться світ, якщо я вирішив зробити слід 100 Ом або 25 Ом? Я знаю, що, хоча ми любимо говорити про 50 Ом як магічне число, воно буде знаходитися в межах деякого діапазону приблизно 50 Ом, а не 50,0000 Ом точно.

4. Чи є час, коли фактичний опір сліду PCB може мати значення?

Давайте розглянемо формулу та еквівалентну схему для лінії електропередачі.

(1) Опір, а не реактивність.

Реакція відноситься до протидії зміні струму (індуктора) або напруги (для конденсатора) - окремих компонентів. В лінії електропередачі є компоненти і - опір - відношення фазового напруги до фазового струму.$R,L$$C$

(2) Це оскільки відношення індуктивності до ємності на одиницю довжини виробляє це значення. Оскільки і , ці значення можна ігнорувати, і тому вираз зменшується до (частота не залежить).R < < J зі | L G → 0 $50\Omega$$R << j\omega L$$G \to 0$$\sqrt{L/C}$

(3) Ні, але, як правило, хороша ідея тримати речі максимально стандартними. Можливо, вам буде складно знайти відповідний роз'єм для вашої лінії електропередачі . Існує також багато інформації для проектування стандартних ліній електропередачі на друкованих плат тощо. Магічне число в моїй книзі - 376.73031 ... опір вільного простору. Тепер без цього ми жили б в іншому Всесвіті. $167\Omega$

(4) Повернення до формули. На низьких частотах може бути значним, оскільки реактивність індуктора буде невеликою). При дуже високих частотах діелектричні втрати можуть стати значними.$R$

Лінія електропередачі розподілила індуктивність і ємність по всій довжині. Ми можемо вважати це як нескінченно багато маленьких індукторів та конденсаторів по лінії:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Кожен індуктор служить для обмеження швидкості, з якою конденсатор може заряджатися. Але, як ми ділимо лінію на все більшу кількість частин, індуктори та конденсатори стають меншими. Отже, чи має значення їх кількість? Ми можемо розділити лінію електропередачі на скільки завгодно сегментів, від одного до нескінченності. Таким чином, ми можемо зробити конденсатори та індуктори довільно малими.

Таким чином, значення цих індукторів та конденсаторів не повинно мати значення. Дійсно, значення має лише відношення індуктивності до ємності, оскільки це не змінюється, коли лінія передачі розділена. І якщо характеристичний опір не змінюється, коли лінія розділяється, то випливає, що вона також не змінюється, коли ми робимо її довшою.

Додаючи до сказаного Філ:

Тепер уявіть, що все починається з 0 вольт і ампер в цьому довгому ланцюзі індукторів і конденсаторів, тоді ви поставите крок напруги в один кінець. Як індуктори сповільнюють заряджання конденсаторів, буде протікати постійний струм, який буде пропорційний напрузі, яку ви подаєте. Оскільки у вас є напруга і струм, пропорційний цій напрузі, ви можете розділити два, щоб знайти опір цієї нескінченної імітації лінії електропередачі. Насправді, для ідеальної нескінченної лінії електропередачі ви не можете визначити різницю між лінією електропередачі та резистором ззовні.

Однак це все працює лише в тому випадку, якщо крок напруги може продовжувати поширюватися вниз по лінії електропередачі. Але і тут є аха моменту, якщо у вас коротка лінія , але поставити резистор характеристичного опору accross кінця, він буде виглядати , як нескінченна лінія передачі на іншому кінці. Це називається припиненням лінії електропередачі.

Джим мав дуже гарну відповідь. Однак, щоб розширити декілька:

2) 50 Ом - 50 Ом (вид). Діелектрична константа матеріалу ІЗ залежить від частоти. Тому висота та ширина сліду, яку ви обираєте для 1 ГГц, будуть дещо іншим опором на 10 ГГц (якщо вам потрібно переживати за різницю, ви, мабуть, вже знаєте про різницю!)

4) Для стандартних матеріалів PCB FR4 втрати діелектрика становлять занепокоєння приблизно від 0,5 до 1 ГГц. Однак ОПОРОЖНІСТЬ стає важливим, коли у вас є більш високі поточні лінії. Наприклад: Якщо у вас 1 ампер на 6 міліметрового сліду 1 унцій міді довжиною 1 дюйм, це .1 Ом опору. У вас буде падіння приблизно 0,1 В і температура 60С. Якщо ви не можете впоратися з краплею 0,1 В, потрібно, очевидно, розширити слід або загустити мідь.

Як правило, якщо у вас довжина менше 1 дюйма, більшість опорів постійного струму можна ігнорувати.

Існує просте пояснення маханням рукою, чому ефективний опір (ідеальної) лінії електропередачі є постійною. Інші пояснення залишають певну плутанину щодо того, як ми "вибираємо" Li та Ci в моделі лінії електропередачі. Які саме ці Лі та Ci?

По-перше, як тільки ми говоримо "лінія електропередачі", ми говоримо про довгі дроти. Як довго? Більше довжини електромагнітної хвилі, яка передається по лінії. Тому ми говоримо або про дуже довгі лінії (милі і милі), або про дуже високі частоти. Але концепція довжини хвилі щодо довжини сліду є принципово важливою.

Тепер, як згадували люди, слід має певну індуктивність на одиницю довжини і, відповідно, певну ємність, знову пропорційну довжині . Ці L і C - індуктивність і ємність на одиницю довжини . Отже, фактична індуктивність дротяного відрізка була б L = L * довжиною; то ж саме для C .

Тепер розглянемо синусоїду, що йде в слід. Хвилі поширюються зі швидкістю світла (зокрема, діелектричні / повітряні носії - це близько 150ps / дюйм). У кожну мить певне відхилення заряду (форма хвилі) взаємодіє із секцією дроту, що дорівнює відповідній довжині цієї хвилі. Повільні частоти мають більшу довжину хвилі, тоді як компоненти швидшої частоти пропорційно менші. Отже, що ми маємо? Довші хвилі «бачити» довший слід і , отже , більший L , і велику ємність C . Більш короткі (вище частота) хвилі «бачити» коротше ефективну довжину лінії, і , отже , менший L і C . Отже, і ефективні L і Cпропорційні довжині хвилі. Оскільки імпеданс лінії Z0 = SQRT ( L / C ), залежність L і C від довжини скасовується , і тому хвилі з різною частотою "бачать" однаковий ефективний опір Z0.