PIIRILEVYJOHTIMEN AALTOIMPEDANSSIN MÄÄRITTÄMINEN

Transkriptio

1 IMPEDANSSISOVITUKSET H. Honkanen Jokainen piirilevyjodinan on samalla myös siirtolinja. Siirtolinjan emittoivaa vaikutusta voidaan merkittävästi pienentää sovittamalla siirtolinja. Tällä on merkitystä silloin, kun jotimen pituus ylittää aallonpituuden kadeskymmenesosan. Merkitys korostuu vielä suuremmaksi, jos jotimen pituus on aallonpituuden neljäsosa tai sen monikerta, tai jotimen pituus ylittää aallonpituuden. isätietoa aieesta tästä linkistä. PIIRIEVYJOHTIMEN AATOIMPEDANSSIN MÄÄRITTÄMINEN Siirtolinjan, kuten myös piirilevyjotimen, aaltoimpedanssi määräytyy jotimen induktanssin ja kapasitanssin suteena ( kaava 1 ) mukaisesti : O ( 1 ) C Piirilevyjotimen impedanssi voidaan määritellä allaolevien määritysten mukaisesti: - Referenssitaso on signaaliin näden kiinteä jännitetaso, joka yleensä on maataso tai käyttöjännitetaso - Kuvissa ja kaavoissa: - Jotimen impedanssi - s Jotimen korkeus ( Piirilevykuparin paksuus ) - Jotimen leveys - Eristekerroksen paksuus - εr Suteellinen permittiivisyys - Käytetyimmän piirilevymateriaalin, FR4:n suteellinen permittiivisyys, εr 4.5 Microstrip ( Mikroliuskajodin ) - Jotimella on yksi referenssitaso ( Kaava 2 ) 87 5,98 ln +, 8 + s R 1,41 ε ( Om ) ( 2 ) - Piirilevyjotimen impedanssiin voidaan vaikuttaa jotimen leveyttä muuttamalla. ( kaava 3 ) ( Jodettu kaavasta 2 ) 7,475 1,167 s r + 1, ε ( m ) ( 3 )

2 Stripline ( uiskajodin ) - Jodin on kaden referenssitason välissä ( kaava 4 ) 6 4 ln,67π, R 8 s + ε ( om ) ( 4 ) - Piirilevyjotimen impedanssiin voidaan vaikuttaa jotimen leveyttä muuttamalla. ( kaava 5 ja 6 ) ( Jodettu kaavasta 4 ) 1,134π s,168π ε R ( m ) ( 5 ) 6 2,38 1,528 s ε R ( m ) ( 6 ) 6 Piirilevyn läpiviennit aieuttavat aina impedanssimuutoksen läpivientikodassa äpivientejä tulee siirtolinjoissa välttää Jotimen terävät kulmat aieuttavat myös impedanssimuutoksen Jotimen kulmat tulee pyöristää

3 PÄÄTESOVITUKSIEN MUODOSTAMINEN HEIJASTUSKERROIN Jos siirtolinjan sovitus ei ole oikea, palaa osa läetetystä teosta takaisin ( ei siirry kuormaan ). Oikea sovitus tarkoittaa sitä, että koko läetetty energia siirtyy kuormaan. Tällöin läteen, siirtolinjan ja kuorman impedanssi on ytäsuuri. Kaapeli-impedanssi ( o ): Heijastuskerroin ( r ) : Esimerkki: C r Siirtolinjan impedanssi( o ) on 75 Ω. Kuorman impedanssi ( ) on 5 Ω. Kuinka suuri osa läetetystä energiasta palaa takaisin: r + 5 Ω 5 Ω + 75 Ω 75 Ω,2 + Vastaus:,2 2 % ANAOGINEN SIIRTOINJA Analogisignaalin siirrossa impedanssitasojen sovitukset vaaditaan jo signaalin vääristymienkin välttämiseksi. Analoginen korkeataajuinen signaali on ( läes poikkeuksetta ) vaitojännitettä. Joissain erikoissovelluksissa ( esim. antenniverkot ) voidaan esim. käyttöjännite siirtää suurtaajuussignaalin mukana. Tällöinkin informaatio on vaitosuure, josta tasajännitekomponentti on elppo suodattaa pois. Tällöinkin sovituksien tulee olla oikeat. Analogisen siirtolinjan sovituksessa sekä lätöimpedanssi, kaapeli-impedanssi sekä tuloimpedanssi ovat sovitetut keskenään. Analogisten siirtolinjojen sovitusimpedansseja ( yleensä vastuksia ) määritettäessä tulee ottaa uomioon myös läteen lätöimpedanssi ( G ) ja tulon tuloimpedanssi ( i ). Kuva: Siirtolinja sovitusimpedansseineen

4 DIGITAAINEN SIIRTOINJA Digitaalitekniikassa sovituksia ei perinteisesti ole pidetty tärkeinä. EMC määräykset ydistettyinä pienempiin logiikkajännitteisiin, suurempiin impedanssitasoiin ( pienet virrat ) ja nopeampiin siirtotaajuuksiin ovat kuitenkin lisänneet vaatimuksia käsitellä myös digitaalisignaalien siirtoa siirtolinjavaatimusten mukaisesti. Miksi analogisten siirtolinjojen malli ei sellaisenaan sovellu digitaalitekniikkaan: äteen sovitusimpedanssiin jäisi puolet lätöjännittestä -> oogiset tasot! Digitaalisignaali tasajännitettä -> Varsinkin 1 tilassa teonkulutus nousisi merkittävästi. Seuraavaksi esitetään muutama sovitusmalli. Sovitusmallit ovat tarkoitettu digitaalisignaalien sovitukseen. Malleja voi luonnollisesti soveltaa myös analogisignaalien siirtoon, mutta täydellistä sovitusta näillä ei saa. Sovitus sarjavastuksen avulla + Ei lisää teonkulutusta - isää viivettä Sovitus rinnakkaisvastuksella + Yksinkertainen rakenne - isää teonkulutusta merkittävästi varsinkin 1 -tilassa Tevenin pääte + Symmetrinen kuorma - isää teonkulutusta merkittävästi

5 Vaitovirtapääte Vaitovirtapäätteessä kondensaattori on signaalitaajuuteen näden suuri ( Xc ). Täten sovitusimpedanssin määrää vastus. Kytkentä ei kuitenkaan vie virtaa lepotilassa, mutta toimii sovituskuormana muutostilanteissa. + Kuluttaa teoa vain muutostilanteissa - Vaatii kondensaattorin ( Vie tilaa ) Sovitus scottky diodeilla Scottky- päätteessä scottky diodit toimivat kadella tavalla: 1. Scottky diodit leikkaavat ( epäsovituksesta aieutuvat ) jännitepiikit, jotka ylittävät piirin käyttöjännitteet. Tämä sekä vaimentaa värätelyitä, että suojaa piirin tuloja ylijännitteiltä. 2. Scottky diodit toimivat impedanssikuormana ( Niissäkin on kapasitanssia ja dynaamista resistanssia ) siirtolinjan päätteenä. SOVITUSMENETEMIEN VERTAIU : Sarjavastus Rinnakkaisvastus Tevenin pääte Vaitovirtapääte Scottkypääte Teonkulutuslisä? EI SUURI ja EPÄSYMM. SUURI PIENI HYVIN PIENI Viivelisä? KYÄ EI EI EI EI Komponenttien lukumäärä ( 1 ) inkit: Referenssitasojen muodostaminen ja jotimen kulmien pyöristäminen PADS PowerPCB ojelmassa