Ko govorimo o S-parametrih, ujemanju impedance, prenosnih vodih in drugih temeljnih konceptih pri oblikovanju VF tiskanih vezij, se vedno znova pojavlja pojem 50-ohmske impedance.
Altium
Avtor: Zachariah Peterson
Na spletu si oglejte signalizacijske standarde, podatkovne liste komponent, navodila za uporabo in smernice za načrtovanje; to je ena od vrednosti impedance, ki se vedno znova pojavlja. Od kod torej standard impedance 50 Ohm in zakaj je pomemben? Izbira impedance 50 Ohmov se zdi povsem samovoljna: zakaj ne 10 Ohmov ali 100 Ohmov?
Odgovor je večinoma odvisen od tega, koga vprašate. Najboljši odgovor ima VF skupnost, zlasti načrtovalci kablov, njihova analiza koaksialnih kablov pa potrjuje njihovo razlago. O tem, kaj se dogaja na tiskanem vezju, nisem nikoli videl razprave, razen v enem strokovnem članku, vendar se odgovor za tiskana vezja nanaša na notranjo strukturo in električne značilnosti običajnih logičnih vezij. Če ste pripravljeni na zgodovinsko lekcijo o vrednosti 50 Ohmov impedance, berite naprej. Ogledali si bomo celo standard 75 Ohm, da bi videli, kaj se lahko naučimo o prenosu signala in moči na VF-povezavah.
Zgodovina koaksialnih kablov in impedance 50 ohmov
Zgodovina 50-ohmske impedance sega v konec dvajsetih in začetek tridesetih let prejšnjega stoletja, ko je bila telekomunikacijska industrija še v povojih. Inženirji so načrtovali z zrakom napolnjene koaksialne kable za radijske oddajnike, namenjene oddajanju kW moči. Ti kabli naj bi se raztezali tudi na dolge razdalje, ki so dosegale več sto kilometrov. To pomeni, da morajo biti kabli zasnovani tako, da omogočajo največji prenos moči, najvišjo napetost in najmanjše slabljenje. Katero impedanco je treba uporabiti, da bodo izpolnjeni vsi trije cilji?
Izkazalo se je, da je nemogoče uravnotežiti vse tri cilje, tako kot pri številnih drugih načrtovalskih problemih.
Najnižje izgube: To je odvisno od izgub v notranjem dielektriku koaksialnega kabla. Pri koaksialnem kablu, napolnjenem z zrakom, se to zgodi pri približno 77 Ohmih ali pri približno 50 Ohmih pri nekaterih kablih, napolnjenih z dielektrikom (več o tem v nadaljevanju).
Najvišja napetost: To temelji na električnem polju med osrednjim vodnikom in stranskimi stenami v z zrakom napolnjenem koaksialnem kablu. Električno polje v načinu TE10 je največje, če je vodnik zgrajen tako, da je njegova impedanca približno 60 Ohmov.
Najvišji prenos moči: Koaksialni kabli vseh velikosti so lahko dovolj dolgi, da delujejo kot daljnovodi in podpirajo širjenje valov. Moč, ki jo prenaša koaksialni kabel, je omejena s prebojnim poljem in impedanco kabla: V2/Z. Izkaže se, da je pri z zrakom napolnjenem koaksialnem kablu, ki deluje pod mejo TE11, prenos moči največji pri približno 30 Ohmih.
Graf na sliki 1 prikazuje kompromis med izgubami in močjo. Spodnjo datoteko je zagotovila Wikimedia, vendar lahko podobne grafe najdete v številnih drugih virih. Izgube lahko izračunate tudi z uporabo impedance, hrapavosti bakra/kožnega efekta in dielektrične absorpcije ter ustvarite podoben graf posebej za koaksialne kable. Za izračun moči je treba uporabiti celotno rešitev za osnovni način razširjanja in karakteristično impedanco.
Pri grafu na sliki 1 je treba razumeti, da dielektrična disperzija običajno ni vključena in vpliva na rezultate pri višjih frekvencah. Disperzija (tako vrednost Dk kot tangens izgub) se pri izračunu teh krivulj upošteva kot ravna disperzija, kar se morda ne ujema z realnostjo v vašem frekvenčnem območju. Vendar nam krivulja daje dobro predstavo o tem, zakaj je poudarek na 50-ohmski impedanci.
Kompromis ali dielektrik?
Hiter odgovor na to vprašanje je, da je 50 Ohmov najmanj slab kompromis med impedanco, ki ustreza najmanjšim izgubam, največji moči in največji napetosti. Dejansko je 50 Ohmov precej blizu srednji vrednosti med 77 in 30 Ohmov in je blizu 60 Ohmov, zato se zdi naravno domnevati, da je to razlog za standard impedance 50 Ohmov. Vendar pa lahko opazimo, da je impedanca z najmanjšimi izgubami v koaksialnem kablu, napolnjenem s PTFE, ravno približno 50 Ohmov, zato se zdi to še ena naravna razlaga!
Kaj pa impedanca 75 ohmov?
Izkazalo se je, da je vrednost napetosti manj pomembna; ali vas zanima prenos moči, zmanjšanje izgub ali pa poskušate uravnotežiti oboje. Poceni koaksialni kabli z zračnim ali dielektričnim polnilom z nizko vsebnostjo Dk lahko pri dolgih kablih dosežejo impedanco 77 Ohmov, vendar je razlog za zaokrožitev na 75 Ohmov namesto uporabe 77 Ohmov zame še vedno skrivnost.
Mislili bi, da je 75 Ohmov lepo zaokroženo število, ki si ga je lahko zapomniti, medtem ko zunanji članek na portalu Microwaves 101 trdi, da je to namenoma tako izbrano. Pri koaksialnih kablih z jeklenim jedrom je premer le nekoliko prevelik, da se zagotovi dodatna prožnost, zato bi impedanca znašala 75 Ohmov. Ali to drži ali ne, ne morem potrditi, vendar bi bil vesel, če bi me kdo kontaktiral prek omrežja LinkedIn in mi posredoval odgovor!
Transformiranje referenčnih impedanc
Pri delu z zelo hitrimi ali visokofrekvenčnimi kanali običajno uporabljamo meritve S-parametrov kot pomembne metrike celovitosti signala. Te so opredeljene glede na neko referenčno impedanco, ki je običajno ena od zgornjih vrednosti (50 ali 75 Ohmov), saj boste v svojem visokofrekvenčnem/RF sistemu morda vzpostavili povezavo z enim od teh medijev. O referenčni impedanci raje razmišljam v smislu želene impedance zaključka; prizadevate si za impedanco 75 ali 50 Ohmov na vsakem portu, meritve S-parametrov [2] pa vam pokažejo, koliko ste pri načrtovanju zgrešili od tega cilja.
Če imate izmerjeno matriko S-parametrov za povezavo na tiskanem vezju, jo lahko pretvorite v novo matriko S-parametrov z naslednjo transformacijo:
To je koristno za razumevanje, kako se lahko spremenijo vaši S-parametri, ko zamenjate referenčni medij (npr. med kablom z impedanco 75 in 50 Ohmov). Z uporabo izraza “referenčni medij” primerjamo naš DUT/interkonekt z idealiziranim 50/75-ohmskim kablom, 50/75-ohmskim priključkom ali drugo komponento z vhodno impedanco 50/75 ohmov.
Ne glede na to, ali morate načrtovati vezje z impedanco 50 Ohmov ali kakšno drugo vrednostjo, funkcije za postavitev tiskanega vezja v programu Altium Designer® [3] vključujejo orodja, ki jih potrebujete za visokofrekvenčno načrtovanje. V upravitelju sklada plasti [5] lahko dostopate do integriranega 3D reševalnika polj podjetja Simberian [4], da v svojem sklopu TIV izvajate nadzor impedance v skladih tiskanih vezij.
Ko končate načrtovanje in želite projekt deliti, lahko na platformi Altium 365™ [6] preprosto sodelujete z drugimi načrtovalci. Z Altium Designerjem na platformi Altium 365 smo le oplemenitili vse, kar je mogoče početi z Altium Designerjem. Za podrobnejši opis funkcij si lahko ogledate stran izdelka [7] ali enega od spletnih seminarjev na zahtevo [8].
Povzeto po:
https://tinyurl.com/4vp3b2rh
Viri:
1: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Characteristic_Impedance_power_attenuation.svg
2: https://resources.altium.com/p/expert-analysis-measured-s-parameters
3: https://www.altium.com/altium-designer
4: https://resources.altium.com/p/simberians-3d-field-solver-in-altium-designer
5: https://resources.altium.com/sites/default/files/2020-03/Impedance%20Calculation_fin2.pdf
6: https://www.altium.com/altium-365
7: https://www.altium.com/altium-365
8: https://resources.altium.com/altium-365
