2025 Cum să analizezi impedanța și pierderea PCB?

Introducere

Impedanța PCB și pierderile sunt cruciale pentru transmisia semnalelor de mare viteză. Pentru a analiza astfel de canale de transmisie complexe, putem examina impactul lor asupra semnalelor prin răspunsul impulsional al canalului de transmisie.

Ce sunt impedanța și pierderile PCB?

Răspunsul impulsional al unui circuit poate fi măsurat prin transmiterea unui impuls îngust. Un impuls îngust ideal este unul cu o lățime infinit de mică și o amplitudine foarte mare. Când acest impuls îngust se propagă de-a lungul unei linii de transmisie, acesta este întins, iar forma sa este legată de răspunsul liniei. Matematic, putem convolua răspunsul impulsional al canalului cu semnalul de intrare pentru a obține forma de undă a semnalului după transmiterea prin canal. Răspunsul impulsional poate fi, de asemenea, măsurat prin răspunsul în trepte al canalului. Deoarece derivata răspunsului în trepte este răspunsul impulsional, cele două sunt echivalente.

Poate părea că am găsit o soluție la problemă, dar, în realitate, impulsurile înguste ideale sau semnalele în trepte infinit de abrupte nu există. Nu sunt doar dificil de generat, ci și dificil de controlat cu precizie. Prin urmare, în testarea efectivă, undele sinusoidale sunt adesea folosite pentru a măsura răspunsul în domeniul frecvenței, iar software-ul corespunzător al sistemului de testare a stratului fizic este utilizat pentru a măsura răspunsul în domeniul timpului.

Comparativ cu alte semnale, undele sinusoidale sunt mai ușor de generat, iar precizia frecvenței și a amplitudinii lor este mai ușor de controlat. Un analizor vectorial de rețea (VNA) poate măsura cu precizie caracteristicile de reflexie și transmisie ale unui canal de transmisie la diferite frecvențe, folosind o baleiere a undelor sinusoidale pe o gamă de frecvențe de până la zeci de GHz, cu o gamă dinamică care depășește 100 dB. Prin urmare, VNA-urile sunt utilizate în principal pentru analiza modernă a canalelor de transmisie de mare viteză.

Cum se analizează impedanța și pierderile PCB?

Caracteristicile de reflexie și transmisie ale unui sistem în testare pentru undele sinusoidale de diferite frecvențe pot fi exprimate folosind parametrii S. Parametrii S descriu caracteristicile de transmisie și reflexie ale DUT pentru undele sinusoidale de diferite frecvențe. Dacă putem determina caracteristicile de reflexie și transmisie ale unui canal de transmisie pentru undele sinusoidale de diferite frecvențe, putem prezice teoretic efectele unui semnal digital real care trece prin acel canal. Aceasta deoarece, în domeniul frecvenței, un semnal digital real poate fi considerat a fi compus din multe unde sinusoidale de diferite frecvențe.

Pentru o linie de transmisie single-ended, există patru parametri S: S11, S22, S21 și S12. S11 și S22 reflectă caracteristicile de reflexie ale porturilor 1 și 2, respectiv, pentru undele sinusoidale de diferite frecvențe. S21 reflectă caracteristicile de transmisie ale undelor sinusoidale de diferite frecvențe de la portul 1 la portul 2, iar S12 reflectă caracteristicile de transmisie ale undelor sinusoidale de diferite frecvențe de la portul 2 la portul 1. Pentru liniile de transmisie diferențiale, deoarece au patru porturi, parametrii lor S sunt mai complecși, totalizând 16. De obicei, un analizor vectorial de rețea cu patru sau mai multe porturi este utilizat pentru a măsura liniile de transmisie diferențiale și pentru a obține parametrii lor S.

De ce sunt atât de importante impedanța și pierderile?

Obținerea acestor 16 parametri S pentru linia diferențială măsurată dezvăluie multe caracteristici importante ale liniei. De exemplu, parametrul SDD21 reflectă pierderea de inserție a liniei diferențiale, iar parametrul SDD11 reflectă pierderea de retur.

Putem obține informații suplimentare prin efectuarea unei transformări FFT inverse asupra acestor parametri S. De exemplu, transformarea parametrului SDD11 produce o formă de undă de reflexie în domeniul timpului (TDR), care poate dezvălui variațiile de impedanță de-a lungul liniei de transmisie măsurate. Putem efectua, de asemenea, o transformare FFT inversă asupra rezultatelor SDD21 ale liniei de transmisie pentru a obține răspunsul său impulsional, prezicând astfel forma de undă sau diagrama ochiului a semnalelor digitale la diferite rate de date după trecerea prin perechea de linii diferențiale. Acest lucru oferă informații foarte utile pentru inginerii de proiectare digitală.

Rezumat

Astfel, utilizarea unui analizor vectorial de rețea (VNA) pentru a măsura canalele de transmisie a semnalelor digitale se bazează pe tehnici de analiză a microundelor RF, permițând caracteristici de canal extrem de precise într-o gamă de frecvențe de zeci de GHz. Mai mult, prin efectuarea unor transformări simple în domeniul timpului asupra rezultatelor măsurătorilor, putem analiza modificările de impedanță de-a lungul canalului și impactul acestora asupra transmisiei efective a semnalului. Acest lucru permite inginerilor digitali să evalueze calitatea planșelor de bază, a cablurilor, a conectorilor, PCB-uriși a altor componente într-o etapă incipientă, eliminând necesitatea de a aștepta până când apar probleme cu semnalul înainte de a răspunde în grabă.