İmpedans nəzarəti nədir və PCB-lərdə impedans nəzarətini necə yerinə yetirmək olar

Müasir elektron cihazların dizaynında PCB-lər mühüm rol oynayır. PCB-lərin performansı bütün elektron sistemin sabitliyinə, etibarlılığına və ötürmə səmərəliliyinə birbaşa təsir göstərir. Bunların arasında impedans nəzarəti PCB dizaynının vacib hissəsidir. Müasir rəqəmsal dövrələrdə siqnal ötürmə müddəti daha qısa və saat tezliyi daha yüksək olduğundan, PCB izləri artıq sadə bağlantılar deyil, müvafiq olaraq ötürmə xətləridir. PCB impedans nəzarəti siqnal ötürülməsinin keyfiyyətini və sabitliyini təmin etmək üçün PCB-dəki siqnalların ötürmə sürətini və impedans uyğunluğunu idarə etməyi nəzərdə tutur.

Praktik hallarda, rəqəmsal marjinal sürət 1ns-dən yüksək olduqda və ya analoq tezliyi 300MHz-dən çox olduqda iz empedansını idarə etmək lazımdır. PCB izinin əsas parametrlərindən biri onun xarakterik empedansıdır (yəni siqnal ötürmə xətti boyunca dalğa ötürüldükdə gərginliyin cərəyana nisbəti). PCB-lərdəki naqillərin xarakterik empedansı PCB dizaynının vacib göstəricisidir. Xüsusilə yüksək tezlikli PCB dizaynında, naqillərin xarakterik empedansının cihazın və ya siqnalın tələb olunan xarakterik empedansı ilə uyğun olub-olmadığını və ya uyğun olub-olmadığını nəzərə almaq lazımdır. Bu, 2 anlayışı əhatə edir: impedans nəzarəti və impedans uyğunluğu. Bu məqalə impedans nəzarəti və yığın dizaynı məsələlərinə yönəlmişdir.

PCB-nin keçiricilərində müxtəlif siqnallar ötürülür. Ötürmə sürətini artırmaq üçün tezliyi artırılmalıdır. Dövrənin özünün impedans dəyəri aşınma, təbəqə qalınlığı və naqil eni kimi amillərə görə dəyişir və bu da siqnalın təhrif olunmasına səbəb olur. Buna görə də, yüksək sürətli PCB-lərdə keçiricilərin impedans dəyəri müəyyən bir diapazonda idarə olunmalıdır ki, bu da "impedans nəzarəti" adlanır.

PCB izlərinin impedansı onların induktiv və tutumlu induktivliyi, müqaviməti və keçiricilik əmsalı ilə müəyyən edilir. PCB naqillərinin impedansına təsir edən amillər əsasən mis naqilin eni və qalınlığı, dielektrik sabiti və mühitin qalınlığı, lehim yastığının qalınlığı, torpaqlama naqilinin yolu və naqillərin ətrafındakı naqillər və s.-ni əhatə edir. PCB impedansının diapazonu 25 ilə 120 ohm arasındadır.

Təcrübədə, PCB ötürmə xətləri adətən naqil izindən, bir və ya daha çox istinad təbəqəsindən və izolyasiya materiallarından ibarətdir. İz və təbəqə idarəetmə impedansını təşkil edir. PCB-lər tez-tez çoxqatlı strukturlar qəbul edir və impedans nəzarəti də müxtəlif yollarla qurula bilər. Lakin, istifadə olunan metoddan asılı olmayaraq, impedans dəyəri onun fiziki quruluşu və izolyasiya materialının elektron xüsusiyyətləri ilə müəyyən ediləcək:

Mikrozolaq, yalnız bir tərəfinin istinad müstəvisinə malik olan ötürmə xəttinə aid olan bir naqil zolağıdır. Üst və yan hissələr havaya məruz qalır (və ya örtülür) və güc və ya torpaq təbəqəsi istinad kimi istifadə edilən izolyasiya sabiti Er PCB-nin səthində yerləşir. Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi:

Qeyd: Faktiki PCB istehsalında, PCB fabriki adətən PCB-nin səthinə yaşıl mürəkkəb təbəqəsi çəkir. Buna görə də, faktiki impedans hesablamalarında aşağıdakı şəkildə göstərilən model adətən səth mikrozolaq xətləri üçün istifadə olunur.

Zolaq xətti, aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, 2 istinad müstəvisi arasında yerləşdirilmiş naqil zolağıdır. H1 və H2 ilə təmsil olunan dielektrikin dielektrik sabitləri fərqli ola bilər.

Yuxarıda göstərilən 2 hal, adətən inteqrasiya olunmuş IoT ağıllı aparatlarının və digər sistemlərin öyrənilməsi üçün istifadə olunan mikrozolaq və zolaq xətlərinin tipik bir nümayişidir. PCB-lərin spesifik yığma quruluşu ilə əlaqəli örtülmüş mikrozolaq kimi bir çox spesifik mikrozolaq və zolaq xətləri mövcuddur.

Xarakterik impedansı hesablamaq üçün istifadə edilən tənlik, adətən sərhəd elementlərinin təhlili də daxil olmaqla sahə həlli metodlarından istifadə edərək mürəkkəb riyazi hesablamalar tələb edir. Buna görə də, ixtisaslaşmış impedans hesablama proqramı SI9000 istifadə edərək, etməli olduğumuz tək şey xarakterik impedansın parametrlərini idarə etməkdir:

İzolyasiya təbəqəsinin dielektrik sabiti Er, W1 və W2 (trapesiya şəklində) naqillərin eni, T naqil qalınlığı və H izolyasiya təbəqəsinin qalınlığı.

W – dizayn edilmiş xətt eni

A – aşındırma itkisi (yuxarıdakı cədvələ baxın)

Xəttin yuxarı və aşağı hissələri arasındakı uyğunsuz enliyin səbəbi, PCB-lərin istehsal prosesi zamanı yuxarıdan aşağıya doğru korroziyanın baş verməsi və nəticədə korroziyaya uğramış xəttin trapesiya formasına malik olmasıdır.

Xətt qalınlığı T ilə bu təbəqənin mis qalınlığı arasında aşağıdakı kimi uyğun bir əlaqə mövcuddur:

* Lehim maskasının qalınlığının impedansa kiçik təsiri səbəbindən, onun 0,5 mil sabit bir dəyər olduğu qəbul edilir.

Bu parametrləri idarə etməklə impedans nəzarətinə nail ola bilərik. Anwei-nin alt PCB-sini nümunə götürərək, impedans nəzarətinin addımlarını və SI9000-in istifadəsini izah edəcəyik:

İkinci təbəqə torpaqlama müstəvisi, beşinci təbəqə güc müstəvisi, qalan təbəqələr isə siqnal təbəqələridir.

İzah: Aralıq təbəqələr arasındakı dielektrik FR-4-dür və dielektrik sabiti 4.2-dir; Üst və alt təbəqələr hava ilə birbaşa təmasa girən çılpaq təbəqələrdir və havanın dielektrik sabiti 1-dir.

PCB dizaynerləri impedans nəzarətinə nail olmaq üçün PCB-lərin iyerarxik strukturundan tam istifadə edə bilərlər. Müxtəlif siqnal təbəqələrini fərqli təbəqə mövqelərinə yerləşdirməklə təbəqələrarası tutum və induktivlik effektiv şəkildə idarə oluna bilər. Ümumiyyətlə, daxili təbəqə yüksək impedanslı materiallardan, xarici təbəqə isə əks olunma və çarpaz müzakirənin təsirini azaltmaq üçün aşağı impedanslı materiallardan istifadə edir.

Diferensial siqnal ötürmə xətləri daha yaxşı müdaxilə əleyhinə qabiliyyət və daha aşağı çarpazlaşma riski təmin edə bilər. Diferensial siqnal ötürmə xətləri, əks gərginlikli, lakin bərabər ölçülərə malik bir cüt paralel naqildir ki, bu da daha yaxşı siqnal bütövlüyü və müdaxilə əleyhinə qabiliyyət təmin edə bilər. Diferensial siqnal ötürmə xətlərinin impedansı adətən xətt aralığının, eninin və torpaqlama müstəvisinin seçilməsi ilə idarə olunur.

PCB xəttinin eni, aralıq və düzülüş kimi həndəsi parametrlər də impedansı idarə etmək üçün istifadə edilə bilər. Ümumi mikrozolaq xətləri üçün daha qalın xətt eni və daha böyük aralıq impedansı azalda bilər. Koaksial xətlər üçün daha kiçik daxili xətt diametrləri və daha böyük xarici xətt radiusları impedansı artıra bilər. Naqil həndəsəsinin seçilməsi xüsusi impedans tələblərinə və siqnal tezliyinə əsaslanaraq optimallaşdırma tələb edir.

PCB materiallarının dielektrik sabitliyi də impedansa təsir göstərir. Sabit dielektrik xüsusiyyətlərinə malik materialların seçilməsi impedans nəzarətinin bir hissəsidir. Yüksək tezlikli və yüksək sürətli tətbiqlərdə tez-tez istifadə olunan materiallara FR-4 (şüşə lifli möhkəmləndirilmiş lövhə), PTFE (politetrafluoroetilen) və RF (radio tezlikli) laminatları daxildir.

PCB dizaynından əvvəl simulyasiya və dizayn vasitələrindən istifadə dizaynerlərə impedansı tez və dəqiq şəkildə yoxlamağa və optimallaşdırmağa kömək edə bilər. Bu vasitələr optimal PCB dizayn parametrlərini müəyyən etmək üçün dövrə davranışını, siqnal ötürülməsi itkilərini və elektromaqnit qarşılıqlı təsirlərini simulyasiya edə bilər. Bəzi ümumi simulyasiya vasitələrinə CST Studio Suite, HyperLynx və ADS daxildir.

PCB impedans nəzarəti yüksək sürətli rəqəmsal və analoq dövrələrdə mühüm rol oynayır. Ağlabatan iyerarxik dizayn, diferensial siqnal ötürmə xətlərinin istifadəsi, naqil həndəsəsinin idarə edilməsi, müvafiq PCB materiallarının seçilməsi və simulyasiya və dizayn vasitələrindən istifadə etməklə dəqiq impedans nəzarətinə nail olmaq mümkündür və bununla da dövrənin performansı və siqnal bütövlüyü artır.