¿2025 Cómo analizar la impedancia y la pérdida de PCB?

Introducción

Impedancia de PCB y la pérdida son cruciales para la transmisión de señales de alta velocidad. Para analizar canales de transmisión tan complejos, podemos examinar su impacto en las señales a través de la respuesta al impulso del canal de transmisión.

¿Qué es la impedancia y la pérdida de PCB?

La respuesta al impulso de un circuito se puede medir transmitiendo un pulso estrecho. Un pulso estrecho ideal es aquel con un ancho infinitamente estrecho y una amplitud muy alta. Cuando este pulso estrecho se propaga a lo largo de una línea de transmisión, se estira y su forma está relacionada con la respuesta de la línea. Matemáticamente, podemos convolucionar la respuesta al impulso del canal con la señal de entrada para obtener la forma de onda de la señal después de la transmisión a través del canal. La respuesta al impulso también se puede medir a través de la respuesta escalón del canal. Dado que la derivada de la respuesta escalón es la respuesta al impulso, las dos son equivalentes.

Puede parecer que hemos encontrado una solución al problema, pero en realidad, los pulsos idealmente estrechos o las señales escalón infinitamente pronunciadas no existen. No solo son difíciles de generar, sino también difíciles de controlar con precisión. Por lo tanto, en las pruebas reales, las ondas sinusoidales se utilizan a menudo para medir la respuesta en el dominio de la frecuencia, y el software del sistema de prueba de la capa física correspondiente se utiliza para medir la respuesta en el dominio del tiempo.

En comparación con otras señales, las ondas sinusoidales son más fáciles de generar y su precisión de frecuencia y amplitud se controlan más fácilmente. Un analizador de redes vectoriales (VNA) puede medir con precisión las características de reflexión y transmisión de un canal de transmisión a diferentes frecuencias utilizando un barrido de onda sinusoidal en un rango de frecuencia de hasta decenas de GHz, con un rango dinámico que supera los 100 dB. Por lo tanto, los VNA se utilizan principalmente para el análisis moderno de canales de transmisión de alta velocidad.

¿Cómo analizar la impedancia y la pérdida de PCB?

Las características de reflexión y transmisión de un sistema bajo prueba para ondas sinusoidales de diferentes frecuencias se pueden expresar utilizando parámetros S. Los parámetros S describen las características de transmisión y reflexión del DUT para ondas sinusoidales de diferentes frecuencias. Si podemos determinar las características de reflexión y transmisión de un canal de transmisión para ondas sinusoidales de diferentes frecuencias, teóricamente podemos predecir los efectos de una señal digital real que pasa a través de ese canal. Esto se debe a que, en el dominio de la frecuencia, una señal digital real puede considerarse compuesta por muchas ondas sinusoidales de diferentes frecuencias.

Para una línea de transmisión de un solo extremo, hay cuatro parámetros S: S11, S22, S21 y S12. S11 y S22 reflejan las características de reflexión de los puertos 1 y 2, respectivamente, para ondas sinusoidales de diferentes frecuencias. S21 refleja las características de transmisión de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias desde el puerto 1 al puerto 2, y S12 refleja las características de transmisión de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias desde el puerto 2 al puerto 1. Para las líneas de transmisión diferencial, dado que tienen cuatro puertos, sus parámetros S son más complejos, totalizando 16. Por lo general, se utiliza un analizador de redes vectoriales con cuatro o más puertos para medir las líneas de transmisión diferencial y obtener sus parámetros S.

¿Por qué la impedancia y la pérdida son tan importantes?

La obtención de estos 16 parámetros S para la línea diferencial medida revela muchas características importantes de la línea. Por ejemplo, el parámetro SDD21 refleja la pérdida de inserción de la línea diferencial y el parámetro SDD11 refleja su pérdida de retorno.

Podemos obtener más información realizando una transformada FFT inversa en estos parámetros S. Por ejemplo, transformar el parámetro SDD11 produce una forma de onda de reflexión en el dominio del tiempo (TDR), que puede revelar variaciones de impedancia a lo largo de la línea de transmisión medida. También podemos realizar una transformada FFT inversa en los resultados SDD21 de la línea de transmisión para obtener su respuesta al impulso, prediciendo así la forma de onda o el diagrama de ojo de las señales digitales a diferentes velocidades de datos después de pasar a través del par de líneas diferenciales. Esto proporciona información muy útil para los ingenieros de diseño digital.

Resumen

Por lo tanto, el uso de un analizador de redes vectoriales (VNA) para medir los canales de transmisión de señales digitales se basa en técnicas de análisis de microondas de RF, lo que permite características de canal altamente precisas dentro de un rango de frecuencia de decenas de GHz. Además, al realizar transformaciones simples en el dominio del tiempo en los resultados de la medición, podemos analizar los cambios de impedancia a lo largo del canal y su impacto en la transmisión de la señal real. Esto permite a los ingenieros digitales evaluar la calidad de los backplanes, cables, conectores, PCBy otros componentes en una etapa temprana, eliminando la necesidad de esperar hasta que surjan problemas de señal antes de responder apresuradamente.