Comment résoudre la désadaptation d'impédance dans le domaine de la transmission de signaux haute fréquence

Date de sortie：2021-12-28Source de l'auteur：KinghelmVues ： 3949

Dans le domaine des hautes fréquences, le signal ou l'onde électromagnétique doit se propager le long du chemin de transmission avec une impédance caractéristique uniforme. En cas de disparité d'impédance ou de discontinuité, une partie du signal est réfléchie vers l'extrémité émettrice et l'onde électromagnétique restante continuera à être transmise vers l'extrémité réceptrice.

Le degré de réflexion et d'atténuation du signal dépend du degré de discontinuité d'impédance. Lorsque l'amplitude de l'impédance de désadaptation augmente, davantage de signaux seront réfléchis et davantage d'atténuation ou de dégradation du signal sera observée au niveau du récepteur.

Une inadéquation d'impédance est souvent rencontrée au niveau des pastilles SMT des condensateurs de couplage CA (également appelés isolation CC), carte à carte connecteurs et câble à la carte connecteurs (tels que SMA).

Dans le cas du plot SMT du condensateur de couplage AC illustré à la figure 1, le signal se propageant le long du circuit PCB avec une impédance différentielle de 100 Ω et une largeur de feuille de cuivre de 5MIL rencontrera une discontinuité d'impédance lorsqu'il atteint le plot SMT avec une feuille de cuivre plus large (telle que 30mil largeur du colis 0603). Ce phénomène peut être expliqué par les équations (1) et (2).

L'augmentation de la section transversale ou de la largeur de la feuille de cuivre augmentera la capacité de la bande, ce qui entraînera une discontinuité de capacité à l'impédance caractéristique du canal de transmission, c'est-à-dire une surtension négative.

Afin de minimiser la discontinuité de la capacité, il est nécessaire de découper la zone du plan de référence directement sous la plage SMT et de créer un remplissage de cuivre dans la couche interne, comme le montrent respectivement les figures 2 et 3.

Cela peut augmenter la distance entre le plot SMT et son plan de référence ou son chemin de retour, de manière à réduire la discontinuité de capacité. Dans le même temps, des vias micro-cousus doivent être insérés pour fournir des connexions électriques et physiques entre le plan de référence d'origine et la nouvelle feuille de cuivre de référence interne afin d'établir le chemin de retour du signal correct et d'éviter les problèmes de rayonnement EMI.

Cependant, la distance « d » ne doit pas être trop augmentée, sinon l'inductance de la bande dépassera la capacité de la bande et provoquera une discontinuité de l'inductance. Où:

Capacité de bande (unité : PF) ;
Inductance de bande (unité : NH) ;
Impédance caractéristique (unité : Ω) ;
Ε= Constante diélectrique ;
Largeur du tampon ;
Longueur du tampon ;
La distance entre le patin et le plan de référence inférieur ;
Épaisseur du coussin.

Le même concept peut également être appliqué aux pastilles SMT pour carte à carte (B2B) et câble à carte (C2B) connecteurs.

La vérification des concepts ci-dessus sera complétée par une analyse TDR et de perte d'insertion. L'analyse est complétée par l'établissement du modèle 3D du tampon SMT dans le logiciel empro, puis par son importation dans les publicités Keysight pour le TDR et la simulation de perte d'insertion.

1. L'effet de tampon SMT de la capacité de couplage AC est analysé

Un modèle 3D de SMT avec un substrat à perte moyenne est établi dans empro, dans lequel une paire de traces différentielles microruban mesure 2 pouces de long et 5MIL de large, adopte un mode asymétrique et se trouve à 3.5mil de son plan de référence. La paire de traces entre par une extrémité du tampon SMT de 30 mil de large et sort par l'autre extrémité.

Les figures 4 et 5 montrent respectivement les diagrammes TDR et perte d'insertion obtenus par simulation.

La désadaptation d'impédance provoquée par la conception SMT sans couper le plan de référence est de 12 Ω et la perte d'insertion est de - 6.5 dB à 20 GHz. Une fois la zone du plan de référence située sous le plot SMT coupée (où « d » est réglé sur 10 mil), l'impédance de désadaptation peut être réduite à 2 Ω et la perte d'insertion à 20 GHz peut être réduite à - 3 dB.

Une augmentation supplémentaire de "d" entraînera un dépassement de l'inductance de la bande par rapport à la capacité, ce qui entraînera une discontinuité de l'inductance et une mauvaise perte d'insertion (c'est-à-dire - 4.5 dB).

2,L'effet pad SMT du B2B connecteur est analysé

Un modèle 3D de pad SMT de B2B connecteur est établi dans empro, dans lequel l'espacement des broches de la connecteur est de 20 MIL et la largeur de la broche est de 6 mil. Le pad est connecté à une paire de microstrips différentiels de routage d'une longueur de 5 pouces et d'une largeur de 5 MIL, qui adopte un mode à extrémité unique, et le routage est à 3.5 mil de son plan de référence.

L'épaisseur du tampon SMT est de 40 mil, y compris connecteur broches et soudure, soit près de 40 fois l'épaisseur du câblage PCB microstrip.

L'augmentation de l'épaisseur du cuivre entraînera une discontinuité de capacité et une atténuation plus élevée du signal. Ce phénomène peut être observé à partir des diagrammes de simulation de TDR et de perte d'insertion présentés respectivement sur les figures 6 et 7.

L'inadéquation d'impédance peut être minimisée en découpant la zone de cuivre avec un espacement approprié "d" (c'est-à-dire 7 mil) directement sous le plot SMT.

3. Résumé

L'analyse de cet article montre que la coupure de la zone du plan de référence directement sous le plot SMT peut réduire la désadaptation d'impédance et augmenter la bande passante de la ligne de transmission.

La distance entre le tampon SMT et la feuille de cuivre de référence interne dépend de la largeur du tampon SMT et de l'épaisseur effective du tampon SMT, y compris connecteur broches et soudure. Si les conditions le permettent, une modélisation et une simulation 3D doivent être réalisées avant la production du PCB pour garantir que le canal de transmission construit présente une bonne intégrité du signal.

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