ما هو التحكم في المعاوقة وكيفية تنفيذه على لوحات الدوائر المطبوعة؟

تلعب لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) دورًا محوريًا في تصميم الأجهزة الإلكترونية الحديثة. يؤثر أداء هذه اللوحات بشكل مباشر على استقرار النظام الإلكتروني بأكمله وموثوقيته وكفاءة نقل البيانات فيه. ومن بين أهم جوانب تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، التحكم في المعاوقة. ونظرًا لأن الدوائر الرقمية الحديثة تتميز بأوقات نقل إشارة أقصر ومعدلات تردد أعلى، لم تعد مسارات لوحات الدوائر المطبوعة مجرد وصلات بسيطة، بل أصبحت خطوط نقل بيانات. ويشير التحكم في معاوقة لوحات الدوائر المطبوعة إلى ضبط سرعة نقل الإشارات ومطابقة معاوقاتها على اللوحة لضمان جودة واستقرار نقل الإشارة.

في التطبيقات العملية، من الضروري التحكم في معاوقة المسار عندما تتجاوز السرعة الحدية الرقمية 1 نانوثانية أو عندما يتجاوز التردد التناظري 300 ميجاهرتز. تُعد المعاوقة المميزة (أي نسبة الجهد إلى التيار عند انتقال الموجة عبر خط نقل الإشارة) أحد أهم معايير مسار لوحة الدوائر المطبوعة. وتُعتبر المعاوقة المميزة للأسلاك على لوحات الدوائر المطبوعة مؤشرًا هامًا لتصميمها. خاصةً في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد، من الضروري مراعاة ما إذا كانت المعاوقة المميزة للسلك متوافقة مع المعاوقة المميزة المطلوبة للجهاز أو الإشارة. يتضمن ذلك مفهومين: التحكم في المعاوقة ومطابقة المعاوقة. تركز هذه المقالة على مسائل التحكم في المعاوقة وتصميم الطبقات.

تُرسل إشارات متنوعة عبر موصلات لوحة الدوائر المطبوعة. ولتحسين معدل نقلها، يجب زيادة ترددها. وتتغير قيمة معاوقة الدائرة نفسها تبعًا لعوامل مثل الحفر، وسُمك الطبقة، وعرض السلك، وغيرها، مما يُسبب تشوه الإشارة. لذا، يجب التحكم في قيمة معاوقة الموصلات على لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة ضمن نطاق محدد، وهو ما يُعرف بـ"التحكم في المعاوقة".

تُحدد معاوقة مسارات لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) من خلال محاثتها الحثية والسعوية، ومقاومتها، ومعامل توصيلها. تشمل العوامل المؤثرة على معاوقة أسلاك لوحة الدوائر المطبوعة بشكل أساسي عرض وسمك سلك النحاس، وثابت العزل الكهربائي وسمك الوسط، وسمك نقطة اللحام، ومسار سلك التأريض، والأسلاك المحيطة به، وغيرها. يتراوح نطاق معاوقة لوحة الدوائر المطبوعة بين 25 و120 أوم.

عمليًا، تتكون خطوط نقل الطاقة في لوحات الدوائر المطبوعة عادةً من مسار سلكي، وطبقة مرجعية واحدة أو أكثر، ومواد عازلة. يشكل المسار والطبقة معًا معاوقة التحكم. غالبًا ما تعتمد لوحات الدوائر المطبوعة على هياكل متعددة الطبقات، ويمكن أيضًا إنشاء نظام التحكم في المعاوقة بطرق متنوعة. ومع ذلك، وبغض النظر عن الطريقة المستخدمة، فإن قيمة المعاوقة ستتحدد من خلال بنيتها الفيزيائية والخصائص الإلكترونية للمادة العازلة.

الشريط الميكروي هو شريط سلكي يُستخدم في خطوط النقل، حيث يحتوي جانب واحد فقط منه على مستوى مرجعي. يكون الجزء العلوي والجوانب معرضة للهواء (أو مطلية) وتقع على سطح لوحة دوائر مطبوعة ذات ثابت عزل Er، مع استخدام طبقة الطاقة أو التأريض كمرجع. كما هو موضح في الشكل التالي:

ملاحظة: في عملية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، عادةً ما يقوم المصنع بطلاء سطح اللوحة بطبقة من الحبر الأخضر. لذلك، في حسابات المعاوقة الفعلية، يُستخدم النموذج الموضح في الشكل التالي عادةً لخطوط الميكروستريب السطحية.

الخط الميكروي عبارة عن شريط من الأسلاك يوضع بين مستويين مرجعيين، كما هو موضح في الشكل التالي. يمكن أن تختلف ثوابت العزل الكهربائي للمادة العازلة الممثلة بـ H1 و H2.

الحالتان المذكورتان أعلاه مجرد مثال نموذجي على استخدام الميكروستريب والستريبلاين، والتي تُستخدم عادةً في تعلم أنظمة إنترنت الأشياء المدمجة وغيرها من الأنظمة الذكية. توجد أنواع عديدة من الميكروستريب والستريبلاين، مثل الميكروستريب المطلي، والتي ترتبط ببنية تكديس لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) المحددة.

تتطلب المعادلة المستخدمة لحساب المعاوقة المميزة حسابات رياضية معقدة، وعادةً ما تستخدم طرق حل المجال، بما في ذلك تحليل العناصر الحدية. لذلك، باستخدام برنامج حساب المعاوقة المتخصص SI9000، كل ما نحتاج إليه هو التحكم في معلمات المعاوقة المميزة.

ثابت العزل الكهربائي Er لطبقة العزل، وعرض الأسلاك W1 و W2 (شبه منحرف)، وسمك الأسلاك T، وسمك طبقة العزل H.

W - عرض الخط المصمم

أ - فقدان النقش (انظر الجدول أعلاه)

إن سبب عدم اتساق العرض بين أعلى الخط وأسفله هو أنه أثناء عملية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، يحدث التآكل من الأعلى إلى الأسفل، مما يؤدي إلى شكل شبه منحرف للخط المتآكل.

توجد علاقة مقابلة بين سمك الخط T وسمك النحاس في هذه الطبقة، كما يلي:

* نظرًا للتأثير الطفيف لسمك قناع اللحام على المعاوقة، يُفترض أن تكون قيمة ثابتة تبلغ 0.5 ميل.

يمكننا التحكم في المعاوقة من خلال التحكم في هذه المعلمات. سنشرح خطوات التحكم في المعاوقة واستخدام جهاز SI9000 باستخدام لوحة الدوائر المطبوعة السفلية من شركة Anwei كمثال:

الطبقة الثانية هي مستوى الأرض، والطبقة الخامسة هي مستوى الطاقة، والطبقات المتبقية هي طبقات الإشارة.

التفسير: العازل بين الطبقات الوسيطة هو FR-4، وثابت العزل الكهربائي له هو 4.2؛ الطبقات العلوية والسفلية هي طبقات مكشوفة تتلامس مباشرة مع الهواء، وثابت العزل الكهربائي للهواء هو 1.

يستطيع مصممو لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الاستفادة الكاملة من بنيتها الهرمية للتحكم في المعاوقة. فمن خلال وضع طبقات الإشارة المختلفة في مواقع مختلفة، يمكن التحكم بفعالية في السعة والحث بين الطبقات. وبشكل عام، تستخدم الطبقة الداخلية مواد ذات معاوقة عالية، بينما تستخدم الطبقة الخارجية مواد ذات معاوقة منخفضة لتقليل تأثير الانعكاس والتداخل.

توفر خطوط نقل الإشارة التفاضلية قدرةً أفضل على مقاومة التداخل وتقليل مخاطر التشويش المتبادل. تتكون هذه الخطوط من سلكين متوازيين بجهدين متعاكسين ولكن بأبعاد متساوية، مما يُحسّن سلامة الإشارة ومقاومة التداخل. عادةً ما يتم التحكم في معاوقة خطوط نقل الإشارة التفاضلية من خلال اختيار المسافة بين الخطوط وعرضها ومستوى التأريض.

يمكن استخدام المعايير الهندسية، مثل عرض خطوط لوحة الدوائر المطبوعة والمسافات بينها وتصميمها، للتحكم في المعاوقة. ففي خطوط الميكروستريب الشائعة، يُمكن تقليل المعاوقة بزيادة عرض الخط والمسافة بين الخطوط. أما في الخطوط المحورية، فيُمكن زيادة المعاوقة بتقليل قطر الخط الداخلي وزيادة نصف قطر الخط الخارجي. ويتطلب اختيار هندسة التوصيل تحسينًا بناءً على متطلبات المعاوقة المحددة وتردد الإشارة.

يؤثر ثابت العزل الكهربائي لمواد لوحات الدوائر المطبوعة أيضًا على المعاوقة. ويُعد اختيار المواد ذات الخصائص العازلة المستقرة جزءًا من التحكم في المعاوقة. في التطبيقات عالية التردد والسرعة، تشمل المواد الشائعة الاستخدام FR-4 (اللوحة المقواة بالألياف الزجاجية)، وPTFE (البولي تترافلوروإيثيلين)، ورقائق RF (الترددات الراديوية).

قبل تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، يمكن أن تساعد أدوات المحاكاة والتصميم المصممين على التحقق من المعاوقة وتحسينها بسرعة ودقة. تُحاكي هذه الأدوات سلوك الدائرة، وفقدان نقل الإشارة، والتفاعلات الكهرومغناطيسية لتحديد معايير تصميم لوحات الدوائر المطبوعة المثلى. من بين أدوات المحاكاة الشائعة: CST Studio Suite وHyperLynx وADS.

يُعدّ التحكم في معاوقة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) عاملاً حاسماً في الدوائر الرقمية والتناظرية عالية السرعة. ومن خلال التصميم الهرمي المُحكم، واستخدام خطوط نقل الإشارة التفاضلية، والتحكم في هندسة الأسلاك، واختيار مواد لوحة الدوائر المطبوعة المناسبة، واستخدام أدوات المحاكاة والتصميم، يُمكن تحقيق تحكم دقيق في المعاوقة، مما يُحسّن أداء الدائرة وسلامة الإشارة.